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JP2013172108A - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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JP2013172108A
JP2013172108A JP2012036783A JP2012036783A JP2013172108A JP 2013172108 A JP2013172108 A JP 2013172108A JP 2012036783 A JP2012036783 A JP 2012036783A JP 2012036783 A JP2012036783 A JP 2012036783A JP 2013172108 A JP2013172108 A JP 2013172108A
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JP
Japan
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layer
gan
type gan
opening
source electrode
Prior art date
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Pending
Application number
JP2012036783A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Masaya Okada
政也 岡田
Makoto Kiyama
誠 木山
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sumitomo Electric Industries Ltd filed Critical Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority to JP2012036783A priority Critical patent/JP2013172108A/en
Publication of JP2013172108A publication Critical patent/JP2013172108A/en
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Abstract

【課題】 耐圧性能を向上させた、縦型GaN系の半導体装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 開口部28の壁面のチャネルが形成される再成長層27と、ゲート電極Gと、開口部の両側、または該開口部の周囲、に位置して、n型GaN系ドリフト層4内にまで届く側部開口38と、チャネルに電気的に連結し、かつ開口部の両側、または該開口部のまわり、において側部開口に蓋をするように位置するソース電極Sとを備え、側部開口38には、該ソース電極Sを、p型GaN系バリア層に導電接続し、かつn型GaN系ドリフト層と絶縁する、接続構造5が設けられていることを特徴とする。
【選択図】 図1
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a vertical GaN-based semiconductor device with improved withstand voltage performance and a manufacturing method thereof.
SOLUTION: A regrowth layer 27 in which a channel of a wall surface of an opening 28 is formed, a gate electrode G, an n-type GaN-based drift layer 4 located on both sides of the opening or around the opening. A side opening 38 that reaches the inside, and a source electrode S that is electrically connected to the channel and that is positioned to cover the side opening on or around the opening. The side opening 38 is provided with a connection structure 5 that electrically connects the source electrode S to the p-type GaN-based barrier layer and insulates the source electrode S from the n-type GaN-based drift layer.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は半導体装置およびその製造方法に関し、とくに大電流のスイッチングに用いられ、高い耐圧性能を有する縦型の半導体装置およびその製造方法に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a vertical semiconductor device used for switching a large current and having a high withstand voltage performance and a manufacturing method thereof.

大電流用のスイッチング素子には、高い逆方向耐圧と低いオン抵抗とが求められる。III族窒化物半導体を用いた電界効果トランジスタ(FET:Field Effect Transistor)は、バンドギャップが大きいことから、高耐圧、高温動作などの点で優れており、とくにGaN系半導体を用いたトランジスタは、大電力の制御用トランジスタとして注目されている。とくに厚み方向に電流を流す縦型トランジスタは、電流密度を高くできるため、注目を集めている。たとえばGaN系半導体に開口部を設けて、その開口部の壁面に二次元電子ガス(2DEG:2 Dimensional Electron Gas)のチャネルを含む再成長層を設けることで、移動度を高めながらオン抵抗を低くした縦型GaN系HFET(Heterostructure Field Effect Transistor)の提案がなされている(特許文献1)。
一方、二次元電子ガスをチャネルとするHEMT構造のGaN系トランジスタにおいて、大電流を扱うとき、高ドレイン電圧印加時にチャネルのドレイン近傍に高電界領域が生成し、高エネルギーの電子によりアバランシェ破壊が起きる。このアバランシェ破壊によって正孔が形成されるが、GaN系半導体はワイドギャップなので、再結合定数が大きく消滅する割合は小さく、i−GaNバッファ層に、正孔が蓄積されてゆく。その結果、チャネルの増加、暴走に繋がるキンク現象を引き起こす。これを抑制するために、i−GaN層もしくはpGaN層を経由する正孔引き抜き用電極を形成する構造が開示されている(特許文献2)。このGaN系トランジスタは、横型トランジスタであるが、同様の正孔の蓄積は、縦型GaN系トランジスタでも生じると考えられ、正孔引き抜き電極の有効性が推察される。
A switching element for large current is required to have a high reverse breakdown voltage and a low on-resistance. Field effect transistors (FETs) using Group III nitride semiconductors are excellent in terms of high breakdown voltage, high temperature operation, etc. due to their large band gaps, and in particular, transistors using GaN-based semiconductors are It is attracting attention as a high-power control transistor. In particular, vertical transistors that allow current to flow in the thickness direction have attracted attention because they can increase current density. For example, by providing an opening in a GaN-based semiconductor and providing a regrowth layer including a channel of a two-dimensional electron gas (2DEG) on the wall of the opening, the on-resistance is reduced while increasing the mobility. A vertical GaN-based HFET (Heterostructure Field Effect Transistor) has been proposed (Patent Document 1).
On the other hand, in a HEMT structure GaN-based transistor using a two-dimensional electron gas as a channel, when a large current is handled, a high electric field region is generated in the vicinity of the channel drain when a high drain voltage is applied, and avalanche breakdown occurs due to high energy electrons. . Holes are formed by this avalanche breakdown, but since the GaN-based semiconductor is a wide gap, the rate at which the recombination constant largely disappears is small, and holes are accumulated in the i-GaN buffer layer. As a result, a kink phenomenon that leads to channel increase and runaway is caused. In order to suppress this, a structure for forming a hole extraction electrode via an i-GaN layer or a pGaN layer is disclosed (Patent Document 2). Although this GaN-based transistor is a lateral transistor, it is considered that the same hole accumulation occurs in a vertical GaN-based transistor, and the effectiveness of the hole extraction electrode is presumed.

特開2006−286942号公報JP 2006-286542 A 米国特許US6,555,851 B2US Patent US 6,555,851 B2

上記の開口部を設けた二次元電子ガスをチャネルとする縦型GaN系トランジスタでは、p型GaNバリア層のバックゲート効果により、オンオフのしきい値電圧を正方向にシフトさせ、かつあるレベルの縦方向耐圧性を得ている。しかし、縦型GaN系トランジスタにおいて、高いドレイン電圧を印加したとき、開口部に設けたゲート下部に電界が集中するため、耐圧性能は大きな制約を受ける。このような耐圧性の克服は、開口部を有する縦型トランジスタに特有の課題である。
さらに、引用文献1に記載のp型GaN系バリア層は、所定レベルのバックポテンシャル効果を得られるが、電位が固定されていないため、確実性に欠ける点がある。また、n型層に挟まれて孤立状態では、引用文献2におけるp型層のように正孔引き抜きの機能は有しない。
In the vertical GaN-based transistor using the two-dimensional electron gas as a channel provided with the opening, the on-off threshold voltage is shifted in the positive direction by the back gate effect of the p-type GaN barrier layer, and at a certain level. Longitudinal pressure resistance is obtained. However, in a vertical GaN-based transistor, when a high drain voltage is applied, the electric field concentrates under the gate provided in the opening, so that the withstand voltage performance is greatly restricted. Overcoming such pressure resistance is a problem peculiar to a vertical transistor having an opening.
Furthermore, the p-type GaN-based barrier layer described in the cited document 1 can obtain a predetermined level of back potential effect, but there is a point of lack of certainty because the potential is not fixed. Further, in an isolated state sandwiched between n-type layers, it does not have a hole extracting function like the p-type layer in the cited document 2.

本発明は、耐圧性能を向上させた、縦型GaN系の半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。   It is an object of the present invention to provide a vertical GaN-based semiconductor device with improved withstand voltage performance and a method for manufacturing the same.

本発明の半導体装置は、GaN系積層体に形成されたた縦型トランジスタである。この半導体装置では、GaN系積層体は、基板側から表面へと順次、n型GaN系ドリフト層/p型GaN系バリア層/n型GaN系キャップ層、を有し、GaN系積層体の表面からn型GaN系ドリフト層内に届く開口部と、開口部の壁面に沿うように位置し、二次元電子ガスによるチャネルが形成される再成長層と、再成長層の上に位置してチャネルを制御するゲート電極と、開口部の両側、または該開口部の周囲、に位置して、GaN系積層体の表面からn型GaN系ドリフト層内にまで届く側部開口と、チャネルに電気的に連結し、かつ開口部の両側、または該開口部のまわり、において側部開口に蓋をするように位置するソース電極とを備え、側部開口には、該ソース電極を、少なくともp型GaN系バリア層に導電接続し、かつn型GaN系ドリフト層と絶縁する、接続構造が設けられていることを特徴とする。   The semiconductor device of the present invention is a vertical transistor formed in a GaN-based laminate. In this semiconductor device, the GaN-based stacked body has an n-type GaN-based drift layer / p-type GaN-based barrier layer / n-type GaN-based cap layer sequentially from the substrate side to the surface, and the surface of the GaN-based stacked body To reach the n-type GaN-based drift layer, a regrowth layer that is positioned along the wall surface of the opening and in which a channel is formed by a two-dimensional electron gas, and a channel that is positioned on the regrowth layer A gate electrode that controls the gate, a side opening that is located on both sides of the opening, or around the opening, reaching from the surface of the GaN-based stacked body into the n-type GaN-based drift layer, and electrically connected to the channel And a source electrode positioned on both sides of the opening or around the opening so as to cover the side opening. The side opening has at least the p-type GaN source electrode. Conductively connected to the system barrier layer, and Insulated -type GaN-based drift layer, wherein the connection structure is provided.

上記の構成によれば、ゲート電極が位置する開口部の両側、または開口部のまわりに、n型GaN系ドリフト層内に届く側部開口が設けられる。このため、電界集中は、ゲート電極が位置する開口部だけでなく、その両側またはまわりに位置する側部開口にも形成される。この結果、ゲート電極が位置する開口部への電界集中は緩和され、その緩和分を側部開口へと分担させるようにできる。
また、チャネルは二次元電子ガスなので、GaN系積層体においてp型GaN系バリア層以外の層はn型またはi型のGaN系半導体で形成される。とくに、GaN系キャップ層は、ソース電極がオーミック接触するため高濃度のn型GaN系キャップ層で形成される。このため、上記のp型GaN系バリア層は、上記表層側のn型GaN系半導体層と、電子がドリフトする比較的低濃度のn型GaN系ドリフト層とによって挟まれることになる。
上記の構成におけるp型GaN系バリア層は、(i)バンドの正方向へのシフトによるピンチオフ特性の向上、(ii)上記の側部開口に比べれば作用は小さいが、縦方向耐圧性能の向上、(iii)接続構造が設けられることによる、キンク現象の防止、などの作用を発揮する。(i)および(ii)は、上記の接続構造がなくても、すなわちp型半導体ということにより、いわゆるバックゲート効果により、その作用を得ることができる。しかし、p型GaN系バリア層に接触する接続構造を設けることで、ドレイン電圧を高くしたときチャネルからドレイン電極にいたる間に生成する正孔をソース電極に引き抜くことができ、(iii)の作用を得ることができる。すなわち、接続構造は、p型GaN系バリア層の正孔を呼び込み、ソース電極に引き抜くことができる。これにより、正孔の蓄積は解消し、キンク現象は防止される。
上記の側部開口は、n型GaN系ドリフト層内にまで届くことが、ドレイン電極との距離を、ゲート電極下の開口部と同等にして電界集中を緩和する上で必須である。しかし、側部開口に設ける接続構造が、ソース電極とn型GaN系ドリフト層とを導電接続すると、二次元電子ガスによるチャネルの経路が無意味になり、トランジスタにならないので、接続構造とn型GaN系ドリフト層とは絶縁されていなければならない。
According to said structure, the side part opening which reaches in an n-type GaN-type drift layer is provided in the both sides of the opening part in which a gate electrode is located, or around an opening part. For this reason, the electric field concentration is formed not only in the opening where the gate electrode is located but also in the side openings located on both sides or around the opening. As a result, the electric field concentration at the opening where the gate electrode is located is alleviated, and the relaxation can be shared with the side opening.
Since the channel is a two-dimensional electron gas, layers other than the p-type GaN-based barrier layer in the GaN-based stacked body are formed of n-type or i-type GaN-based semiconductors. In particular, the GaN-based cap layer is formed of a high-concentration n-type GaN-based cap layer because the source electrode is in ohmic contact. Therefore, the p-type GaN-based barrier layer is sandwiched between the surface-side n-type GaN-based semiconductor layer and a relatively low-concentration n-type GaN-based drift layer where electrons drift.
The p-type GaN-based barrier layer in the above configuration (i) improves the pinch-off characteristics by shifting the band in the positive direction, and (ii) improves the longitudinal breakdown voltage performance, although the effect is small compared to the side opening. (Iii) By providing the connection structure, effects such as prevention of kink phenomenon are exhibited. The functions (i) and (ii) can be obtained by the so-called back gate effect without the above connection structure, that is, by being a p-type semiconductor. However, by providing a connection structure in contact with the p-type GaN-based barrier layer, holes generated between the channel and the drain electrode when the drain voltage is increased can be extracted to the source electrode. Can be obtained. That is, the connection structure can draw holes in the p-type GaN-based barrier layer and draw them out to the source electrode. This eliminates the accumulation of holes and prevents the kink phenomenon.
It is essential for the side opening to reach the n-type GaN-based drift layer in order to reduce the electric field concentration by making the distance from the drain electrode the same as the opening under the gate electrode. However, if the connection structure provided in the side opening is conductively connected between the source electrode and the n-type GaN-based drift layer, the channel path by the two-dimensional electron gas becomes meaningless and does not become a transistor. It must be insulated from the GaN-based drift layer.

接続構造を、n型GaN系ドリフト層との間に絶縁体を介在させて、ソース電極およびp型GaN系バリア層に接触する金属層とすることができる。
これによって、既存の方法を用いて接続構造を容易に形成することができる。ソース電極およびp型GaN系バリア層と、金属層との接触は、容易にオーミック接触することが可能である。
The connection structure can be a metal layer in contact with the source electrode and the p-type GaN-based barrier layer with an insulator interposed between the n-type GaN-based drift layer.
Thus, the connection structure can be easily formed using an existing method. Contact between the source electrode and the p-type GaN-based barrier layer and the metal layer can easily be ohmic contact.

接続構造を、p型GaN系バリア層とソース電極とに接触するp型半導体層とすることができる。
接続構造を形成するp型半導体層は、n型GaN系ドリフト層とはpn接合の障壁によって電気的に隔絶される。これによって、複雑な構造を形成することなく、目的とする回路構成を得ることができる。
The connection structure can be a p-type semiconductor layer in contact with the p-type GaN-based barrier layer and the source electrode.
The p-type semiconductor layer forming the connection structure is electrically isolated from the n-type GaN-based drift layer by a pn junction barrier. As a result, a desired circuit configuration can be obtained without forming a complicated structure.

接続構造のp型半導体層とn型GaN系ドリフト層との間に、絶縁体を介在させてもよい。
これによって、pn接合の障壁に頼ることなく絶縁体で絶縁するので、pn接合の電位障壁の大きさ等に無関係に、確実にn型GaN系ドリフト層とソース電極との絶縁をとることができる。
An insulator may be interposed between the p-type semiconductor layer having the connection structure and the n-type GaN-based drift layer.
As a result, since the insulation is performed by the insulator without depending on the barrier of the pn junction, the n-type GaN-based drift layer and the source electrode can be reliably insulated regardless of the size of the potential barrier of the pn junction. .

接続構造が金属層を含む場合、該金属層が前記ソース電極と前記チャネルとを導電接続してもよい。
通常、ソース電極とチャネルとは、複数の経路で電気的に連結されている。その中に、(ソース電極/接続構造の金属層/n型GaN系キャップ層/チャネル)、および/または、(ソース電極/接続構造の金属層/チャネル)の経路を設けることができる。これによって、実質的にソース電極が拡大したとみることができ、オン抵抗などを小さくすることができる。
When the connection structure includes a metal layer, the metal layer may electrically connect the source electrode and the channel.
Usually, the source electrode and the channel are electrically connected by a plurality of paths. A path of (source electrode / connection structure metal layer / n-type GaN-based cap layer / channel) and / or (source electrode / connection structure metal layer / channel) can be provided therein. Accordingly, it can be considered that the source electrode is substantially enlarged, and the on-resistance and the like can be reduced.

チャネルを含む再成長層と、ゲート電極との間に絶縁膜(ゲート絶縁膜)が介在した構成をとることができる。
これによって、ゲートに正電圧を印加したときのゲートリーク電流を抑制できるため、大電流動作が可能となる。また、しきい値電圧をより正方向にシフトできるため、ノーマリーオフを得やすくなる。さらに、このとき、ゲート電極とドレイン電極との間にゲート絶縁膜が介在することになり、電界集中の緩和もしくは縦耐圧性能の向上を得ることができる。
A structure in which an insulating film (gate insulating film) is interposed between the regrowth layer including the channel and the gate electrode can be employed.
As a result, a gate leakage current when a positive voltage is applied to the gate can be suppressed, so that a large current operation is possible. Further, since the threshold voltage can be shifted in the positive direction, it is easy to obtain normally-off. Further, at this time, a gate insulating film is interposed between the gate electrode and the drain electrode, so that the electric field concentration can be reduced or the vertical breakdown voltage performance can be improved.

本発明の半導体装置の製造方法は、GaN系半導体による縦型トランジスタを製造する。この方法は、GaN系基板上に、n型GaN系ドリフト層と、p型GaN系バリア層と、n型GaN系キャップ層とを、順次、成長することでGaN系積層体を形成する工程と、GaN系積層体の表面からn型GaN系ドリフト層内に届く開口部を設ける工程と、開口部の壁面に沿うように、二次元電子ガスによるチャネルを含む再成長層を形成する工程と、開口部の両側、または該開口部のまわりに、GaN系積層体の表面からn型GaN系ドリフト層内にまで届く側部開口を設ける工程と、側部開口に、n型GaN系ドリフト層と絶縁した上で、少なくともp型GaN系バリア層に導電接続する接続構造を形成する工程と、チャネルに電気的に連結し、かつ接続構造と導電接続しながら側部開口に蓋をするように、ソース電極を形成する工程とを備えることを特徴とする。   The method for manufacturing a semiconductor device of the present invention manufactures a vertical transistor made of a GaN-based semiconductor. The method includes a step of forming a GaN-based laminate by sequentially growing an n-type GaN-based drift layer, a p-type GaN-based barrier layer, and an n-type GaN-based cap layer on a GaN-based substrate; A step of providing an opening reaching the n-type GaN drift layer from the surface of the GaN-based laminate, and a step of forming a regrowth layer including a channel by a two-dimensional electron gas along the wall surface of the opening; A step of providing side openings reaching the inside of the n-type GaN-based drift layer from the surface of the GaN-based stacked body on both sides of the opening, or around the openings; and an n-type GaN-based drift layer in the side openings Insulating and forming a connection structure that is conductively connected to at least the p-type GaN-based barrier layer, and electrically connecting to the channel and covering the side opening while being conductively connected to the connection structure, Form source electrode Characterized in that it comprises a degree.

上記の方法によって、ゲート電極下の開口部への電界集中を側部開口によって緩和し、p型GaN系バリア層による上記の(i)〜(iii)の効果を得られる半導体装置を、既存の方法で、容易に製造することができる。また、p型GaN系バリア層は、ソース電極下に埋め込まれるので、小型のデバイスとすることができる。   By using the above-described method, an existing semiconductor device that can relieve electric field concentration on the opening under the gate electrode by the side opening and obtain the effects (i) to (iii) described above using the p-type GaN-based barrier layer is provided. The method can be easily manufactured. Further, since the p-type GaN-based barrier layer is buried under the source electrode, a small device can be obtained.

本発明によれば、耐圧性能を向上させた、縦型GaN系の半導体装置等を得ることができる。   According to the present invention, it is possible to obtain a vertical GaN-based semiconductor device or the like with improved breakdown voltage performance.

本発明の実施の形態1における縦型GaN系半導体装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the vertical GaN-type semiconductor device in Embodiment 1 of this invention. 図1のGaN系半導体装置を含むチップの部分平面図である。FIG. 2 is a partial plan view of a chip including the GaN-based semiconductor device of FIG. 1. 図1のGaN系半導体装置の製造において、(a)エピタキシャル積層体を形成した状態、(b)開口部を形成するためのレジストパターンを形成した状態、を示す図である。2A and 2B are views showing (a) a state where an epitaxial layered body is formed and (b) a state where a resist pattern for forming an opening is formed in the manufacture of the GaN-based semiconductor device of FIG. 1. RIEによって開口部を設ける段階を示し、(a)はレジストパターンを配置した状態、(b)はイオンを照射しながら開口を掘り下げて開口を拡大(後退)させてゆく状態、を示す図である。The stage which provides an opening part by RIE is shown, (a) is the state which has arrange | positioned the resist pattern, (b) is a figure which shows the state which digs down an opening and expands (retracts) an opening, irradiating ion. . 開口部に再成長層を形成した後、(a)側部開口をあけ、(b)絶縁膜を堆積し、(c)側部開口を拡大するためにレジストパターンを設けた、状態を示す図である。The figure which shows the state which formed the regrowth layer after forming the regrowth layer in the opening part, (a) opening a side part opening, (b) depositing an insulating film, and (c) enlarging a side part opening. It is. (a)側部開口を拡大し、(b)リフトオフ法でレジストパターンを除去し、(c)接続構造の金属層およびソース電極を形成した状態、を示す図である。(A) It is a figure which expands a side part opening, (b) The resist pattern was removed by the lift-off method, (c) The state which formed the metal layer and source electrode of a connection structure. 実施の形態1の変形例であり、本発明の一実施例を示す図である。It is a modification of Embodiment 1, and is a figure which shows one Example of this invention. 本発明の実施の形態2におけるGaN系半導体装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the GaN-type semiconductor device in Embodiment 2 of this invention. 実施の形態2の変形例であり、本発明の一実施例を示す図である。It is a modification of Embodiment 2, and is a figure which shows one Example of this invention. 本発明の実施の形態3におけるGaN系半導体装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the GaN-type semiconductor device in Embodiment 3 of this invention.

(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1における半導体装置であるGaN系FET10を示す断面図である。縦型のGaN系FET10は、導電性のGaN基板1と、その上にエピタキシャル成長した、n型GaN系ドリフト層4/p型GaNバリア層6/n型GaN系キャップ層8、を備える。上記の、n型GaN系ドリフト層4/p型GaN系バリア層6/n型GaN系キャップ層8は、連続して形成されたGaN系積層体15を形成する。GaN基板1の種類によっては、GaN基板1とn型GaN系ドリフト層4との間にAlGaN層またはGaN層からなるバッファ層を挿入してもよい。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a GaN-based FET 10 that is a semiconductor device according to Embodiment 1 of the present invention. The vertical GaN-based FET 10 includes a conductive GaN substrate 1 and an n -type GaN-based drift layer 4 / p-type GaN barrier layer 6 / n + -type GaN-based cap layer 8 epitaxially grown thereon. The n -type GaN-based drift layer 4 / p-type GaN-based barrier layer 6 / n + -type GaN-based cap layer 8 forms a continuously formed GaN-based laminate 15. Depending on the type of the GaN substrate 1, a buffer layer made of an AlGaN layer or a GaN layer may be inserted between the GaN substrate 1 and the n -type GaN-based drift layer 4.

GaN基板1は、支持基体上にオーミック接触するGaN層を有する基板であってもよいし、上述のように製品状態では、GaN基板等の相当の厚み部分が除去されてGaN系積層体のエピタキシャル成長の下地膜としての薄いGaN層のみが残った状態でもよい。これら、GaN基板、支持基体上にオーミック接触するGaN層を有する基板、製品に薄く残された下地のGaN層などを、単にGaN基板と略称する場合もある。   The GaN substrate 1 may be a substrate having a GaN layer that is in ohmic contact with the support base. In the product state as described above, a considerable thickness portion of the GaN substrate or the like is removed, and an epitaxial growth of a GaN-based laminate is performed. Only a thin GaN layer as the underlying film may remain. These GaN substrates, substrates having a GaN layer in ohmic contact with the support base, and underlying GaN layers left thin on the product may be simply referred to as GaN substrates.

GaN系積層体15には、p型GaN系バリア層6を貫通してn型GaN系ドリフト層4内に至る開口部28が設けられ、その開口部28の壁面およびGaN系積層体15の表面(キャップ層8の表面)を被覆するように、エピタキシャル成長した再成長層27が形成されている。再成長層27は、i(intrinsic)GaN電子走行層22およびAlGaN電子供給層26で構成される。iGaN電子走行層22とAlGaN電子供給層26との間にAlN等の中間層を挿入してもよい。ゲート電極Gは再成長層27に位置し、ドレイン電極DはGaN基板1の裏面に位置する。ソース電極Sは、GaN系積層体15上において再成長層27にオーミック接触する。図1では、ソース電極Sは、再成長層27に接触して再成長層27上に位置するが、n型GaN系キャップ層8に接触してn型キャップ層8上に位置しながら再成長層27の端面にオーミック接触するようにしてもよい。
また、本実施の形態の最大の特徴の一つであるが、開口部28の両側、またはそのまわりに、側部開口38が設けられ、その側部開口38に、ソース電極Sとp型GaN系バリア層6とを導電接続する接続構造5が設けられている。この接続構造5は、n型GaN系ドリフト層4との間は絶縁層5bによって絶縁されている。接続構造5は、ソース電極Sとp型GaN系バリア層とを導電接続する金属層5aと、上記の絶縁層5bとで形成される。金属層5aは、p型GaN系バリア層6およびソース電極Sと、オーミック接触するのがオン抵抗の低減のために望ましい。
The GaN-based laminate 15 is provided with an opening 28 that penetrates the p-type GaN-based barrier layer 6 and reaches the n -type GaN-based drift layer 4. An epitaxially grown regrowth layer 27 is formed so as to cover the surface (the surface of the cap layer 8). The regrowth layer 27 includes an i (intrinsic) GaN electron transit layer 22 and an AlGaN electron supply layer 26. An intermediate layer such as AlN may be inserted between the iGaN electron transit layer 22 and the AlGaN electron supply layer 26. The gate electrode G is located on the regrowth layer 27, and the drain electrode D is located on the back surface of the GaN substrate 1. The source electrode S is in ohmic contact with the regrowth layer 27 on the GaN-based stacked body 15. In FIG. 1, the source electrode S is in contact with the regrowth layer 27 and positioned on the regrowth layer 27, but is in contact with the n + type GaN-based cap layer 8 and positioned on the n + type cap layer 8. You may make it ohmic-contact with the end surface of the regrowth layer 27. FIG.
Further, as one of the greatest features of the present embodiment, side openings 38 are provided on or around both sides of the opening 28, and the source electrode S and p-type GaN are provided in the side opening 38. A connection structure 5 for conductively connecting the system barrier layer 6 is provided. This connection structure 5 is insulated from the n -type GaN-based drift layer 4 by an insulating layer 5 b. The connection structure 5 is formed by the metal layer 5a that conductively connects the source electrode S and the p-type GaN-based barrier layer, and the insulating layer 5b. The metal layer 5a is preferably in ohmic contact with the p-type GaN-based barrier layer 6 and the source electrode S in order to reduce the on-resistance.

本実施の形態の縦型GaN系FET10では、電子は、ソース電極Sから電子走行層22を通りn型GaN系ドリフト層4を経てドレイン電極Dへと、厚み方向または縦方向に流れる。この電子の経路において、p型GaN系バリア層6は、n型GaN系ドリフト層4と、n型GaN系キャップ層8とに挟まれている。p型GaN系バリア層6は、電子のバンドエネルギーを持ち上げ、かつ耐圧特性を向上するなどのバックゲート効果を発揮する。 In the vertical GaN-based FET 10 of the present embodiment, electrons flow in the thickness direction or the vertical direction from the source electrode S through the electron transit layer 22, through the n -type GaN-based drift layer 4 to the drain electrode D. In this electron path, the p-type GaN-based barrier layer 6 is sandwiched between the n -type GaN-based drift layer 4 and the n + -type GaN-based cap layer 8. The p-type GaN-based barrier layer 6 exhibits a back gate effect such as raising the band energy of electrons and improving the breakdown voltage characteristics.

本実施の形態におけるポイントはつぎのとおりである。
(1)GaN系半導体のようにワイドギャップの化合物半導体が対象とするスイッチングデバイスでは、一方の主面(GaN系積層体の表面)のソース電極Sと、そのソース電極に該GaN系積層体を挟んで対向するドレイン電極Dとの間に、数百ボルト〜千数百ボルトの高電圧が印加される。ソース電極Sはグランド電位に固定され、ドレイン電極Dに高電圧が印加される。またゲート電極Gは、チャネルの開閉のためにオフ時にマイナス数ボルト、たとえば−5Vに保持される。すなわちオフ動作時、ゲート電極Gが最低電位を保持する。ゲート電極Gとドレイン電極Dとの間の距離は、ソース電極Sとドレイン電極Dとの間の距離よりも小さく、オフ動作時には、ドレイン電極Dとゲート電極Gとの間には、上記の−5V分だけ高くなった電圧がかかる。すなわち、側部開口38がなく、開口部28だけがある構造では、電界は、ゲート電極Gが位置する開口部28に集中する。とくに開口部28の底部コーナーKに電界が集中し、絶縁破壊が生じやすい。
上記の構成によれば、ゲート電極Gが位置する開口部28の両側、または開口部まわりに、n型GaN系ドリフト層6内に届く側部開口38が設けられる。このため、電界集中は、ゲート電極が位置する開口部28だけでなく、その両側またはまわりに位置する側部開口38にも形成される。ゲート電極Gとドレイン電極Dとの電位差が同じ場合、ゲート電極が位置する開口部28への電界集中は大幅に緩和され、その緩和分を側部開口38へと分担させるようにする。
(2)また、チャネルは二次元電子ガスなので、GaN系積層体においてp型GaN系バリア層以外の層はn型またはi型のGaN系半導体で形成される。とくに、n型GaN系キャップ層は、ソース電極Sがオーミック接触するため高濃度のn型GaN系キャップ層とされる。このため、上記のp型GaN系バリア層6は、上記表層側のn型GaN系キャップ層8と、電子がドリフトする比較的低濃度のn型GaN系ドリフト層4とによって挟まれることになる。
上記の構成におけるp型GaN系バリア層6は、(i)バンドの正方向へのシフトによるピンチオフ特性の向上、(ii)側部開口に比べれば作用は小さいが縦方向耐圧性能の向上、(iii)接続構造が設けられることによる、キンク現象の防止、などの作用を発揮する。(i)および(ii)は、上記の接続構造5がなくても、すなわちバリア層がp型半導体6ということにより、いわゆるバックゲート効果により、その作用を得ることができる。しかし、p型GaN系バリア層6に接触する接続構造5を設けることで、ドレイン電圧を高くしたときチャネルからドレイン電極Dにいたる間に生成する正孔をソース電極Sに引き抜くことができ、(iii)の作用を得ることができる。すなわち、接続構造5は、p型GaN系バリア層6の正孔を呼び込み、ソース電極Sに引き抜くことができる。以下、(iii)について詳細に説明する。
接続構造5がない場合、p型GaN系バリア層6が配置されていても、ドレイン電圧を高めたとき、チャネルのドレイン側に高電界領域ができ、高エネルギーの電子によってアバランシェ破壊が起き、多数の正孔が形成される。GaN系半導体はワイドバンドギャップなので、再結合時定数が長く、GaN系積層体15もしくはp型GaN系バリア層6には正孔が蓄積されてゆく。GaN系半導体層は正孔のフェルミ準位に対して接地されておらず、正孔が蓄積されることでチャネル近傍のポテンシャルが下降、伝導帯の電子濃度が増加する。その結果、ドレイン電流−ドレイン電圧の飽和領域でドレイン電流の増大などの暴走を招く。
p型GaN系バリア層6とソース電極Sとを導電接続する接続構造5を設けることで、アバランシェ破壊が生じて正孔が多数形成されても、接続構造5を通じてソース電極Sに引き抜くことができるので、正孔の蓄積は解消し、キンク現象は防止される。
(3)側部開口5は、n型GaN系ドリフト層6内にまで届くことが、ドレイン電極Dとの距離を、ゲート電極下の開口部28と同等にして電界集中を緩和する上で必須である。しかし、側部開口38に設ける接続構造5が、ソース電極Sとn型GaN系ドリフト層4とを導電接続すると、二次元電子ガスによるチャネルの経路が無意味になり、トランジスタにならないので、接続構造5とn型GaN系ドリフト層4とは絶縁されていなければならない。
The points in the present embodiment are as follows.
(1) In a switching device intended for a wide-gap compound semiconductor such as a GaN-based semiconductor, the source electrode S on one main surface (the surface of the GaN-based stack) and the GaN-based stack on the source electrode A high voltage of several hundred volts to several hundreds of volts is applied between the drain electrode D facing each other. The source electrode S is fixed to the ground potential, and a high voltage is applied to the drain electrode D. Further, the gate electrode G is held at minus several volts, for example, −5 V when it is turned off for opening and closing the channel. That is, during the off operation, the gate electrode G holds the lowest potential. The distance between the gate electrode G and the drain electrode D is smaller than the distance between the source electrode S and the drain electrode D. During the off operation, the distance between the drain electrode D and the gate electrode G is − A voltage increased by 5V is applied. That is, in a structure where there is no side opening 38 and only the opening 28 is present, the electric field is concentrated on the opening 28 where the gate electrode G is located. In particular, the electric field concentrates on the bottom corner K of the opening 28, and dielectric breakdown tends to occur.
According to the above configuration, the side openings 38 that reach the n-type GaN-based drift layer 6 are provided on both sides of the opening 28 where the gate electrode G is located or around the opening. For this reason, the electric field concentration is formed not only in the opening 28 where the gate electrode is located but also in the side openings 38 located on both sides or around the opening. When the potential difference between the gate electrode G and the drain electrode D is the same, the electric field concentration at the opening 28 where the gate electrode is located is greatly relaxed, and the relaxed part is shared with the side opening 38.
(2) Since the channel is a two-dimensional electron gas, layers other than the p-type GaN-based barrier layer in the GaN-based stack are formed of n-type or i-type GaN-based semiconductors. In particular, the n-type GaN cap layer is a high concentration n + -type GaN cap layer because the source electrode S is in ohmic contact. Therefore, the p-type GaN-based barrier layer 6 is sandwiched between the n + -type GaN-based cap layer 8 on the surface layer side and a relatively low concentration n - type GaN-based drift layer 4 where electrons drift. become.
The p-type GaN-based barrier layer 6 in the above configuration (i) improves the pinch-off characteristics by shifting the band in the positive direction, and (ii) improves the vertical breakdown voltage performance, although its effect is small compared to the side opening. iii) By providing the connection structure, effects such as prevention of kink phenomenon are exhibited. The functions (i) and (ii) can be obtained by the so-called back gate effect without the connection structure 5 described above, that is, when the barrier layer is the p-type semiconductor 6. However, by providing the connection structure 5 in contact with the p-type GaN-based barrier layer 6, holes generated between the channel and the drain electrode D when the drain voltage is increased can be extracted to the source electrode S. The effect of iii) can be obtained. That is, the connection structure 5 can draw holes in the p-type GaN-based barrier layer 6 and extract them to the source electrode S. Hereinafter, (iii) will be described in detail.
When the connection structure 5 is not provided, even if the p-type GaN-based barrier layer 6 is disposed, when the drain voltage is increased, a high electric field region is formed on the drain side of the channel, and avalanche breakdown occurs due to high energy electrons. Holes are formed. Since the GaN-based semiconductor has a wide band gap, the recombination time constant is long, and holes are accumulated in the GaN-based stacked body 15 or the p-type GaN-based barrier layer 6. The GaN-based semiconductor layer is not grounded with respect to the Fermi level of holes, and accumulation of holes lowers the potential near the channel and increases the electron concentration in the conduction band. As a result, runaway such as increase of drain current is caused in the drain current-drain voltage saturation region.
By providing the connection structure 5 that conductively connects the p-type GaN-based barrier layer 6 and the source electrode S, even if avalanche breakdown occurs and a large number of holes are formed, the connection structure 5 can be extracted to the source electrode S. Therefore, the accumulation of holes is eliminated and the kink phenomenon is prevented.
(3) It is essential for the side opening 5 to reach the n-type GaN drift layer 6 in order to reduce the electric field concentration by making the distance from the drain electrode D equal to the opening 28 under the gate electrode. It is. However, if the connection structure 5 provided in the side opening 38 is conductively connected to the source electrode S and the n-type GaN-based drift layer 4, the channel path by the two-dimensional electron gas becomes meaningless and does not become a transistor. The structure 5 and the n-type GaN-based drift layer 4 must be insulated.

p型GaN系バリア層6は、p型GaN層でもよいし、p型AlGaN層でもよい。p型AlGaN層とした場合、さらにバンドを正方向に持ち上げることができピンチオフ特性をさらに向上することができる。p型GaN系バリア層6のキャリア濃度は、通常、5×1016cm−3程度であるが、バックゲートの効果を高めるために、高濃度のp型GaN系バリア層とする場合もある。 The p-type GaN-based barrier layer 6 may be a p-type GaN layer or a p-type AlGaN layer. When the p-type AlGaN layer is used, the band can be further lifted in the positive direction, and the pinch-off characteristics can be further improved. The carrier concentration of the p-type GaN-based barrier layer 6 is usually about 5 × 10 16 cm −3 , but may be a high-concentration p + -type GaN-based barrier layer in order to enhance the effect of the back gate. .

上記のGaN系積層体は、GaNの所定結晶面上にエピタキシャル成長されたものであるが、その下地のGaNは、上記のように、GaN基板でも、または支持基体上のGaN膜でもよい。さらに、GaN系積層体の成長時にGaN基板等の上に形成して、その後の工程で、GaN基板等の所定厚み部分を除いて、製品の状態では薄いGaN層下地のみが残っているものであってもよい。その薄い下地のGaN層は、導電性でも非導電性でもよく、ドレイン電極は、製造工程および製品の構造によるが、薄いGaN層の表面または裏面に設けることができる。GaN基板または支持基体等が製品に残る場合、当該支持基体または基板は、導電性でも、非導電性でもよい。導電性の場合は、ドレイン電極は、その支持基体または基板の裏面(下)またはおもて面(上)に直接設けることができる。また、非導電性の場合は、非導電性基板の上であって、上記半導体層中の下層側に位置する導電層の上に、ドレイン電極を設けることができる。   The GaN-based laminate is epitaxially grown on a predetermined crystal plane of GaN, but the underlying GaN may be a GaN substrate or a GaN film on a support base as described above. Furthermore, it is formed on a GaN substrate or the like during the growth of the GaN-based laminate, and in the subsequent process, except for a predetermined thickness portion such as the GaN substrate, only a thin GaN layer base remains in the product state. There may be. The thin underlying GaN layer may be conductive or non-conductive, and the drain electrode can be provided on the front or back surface of the thin GaN layer, depending on the manufacturing process and the structure of the product. When the GaN substrate or the supporting base remains in the product, the supporting base or the substrate may be conductive or non-conductive. In the case of conductivity, the drain electrode can be directly provided on the back surface (lower) or front surface (upper) of the supporting base or substrate. In the case of non-conductivity, a drain electrode can be provided on the non-conductive substrate and on the conductive layer located on the lower layer side in the semiconductor layer.

図2は、図1に示す縦型GaN系FET10の平面図である。この平面図によれば、縦型GaN系FET10におけるゲート電極Gおよび開口部28は六角形であり、平面的に稠密に配置することができる。さらに、その開口部28の両側またはまわりに側部開口38が設けられ、その側部開口38に接続構造5が形成されている。ただ、これらの側部開口38および接続構造5は、ソース電極Sによって完全に覆われている。これより、側部開口38、および、接続構造5は、面積的に何ら付加部分を設けることなく配置されている。このため、平面的に稠密に配置されて小型サイズを維持したまま、電界集中の緩和もしくは縦方向の耐圧性能の向上、およびキンク現象に対する備えを設けることができる。
各素子のゲート電極Gは、ゲートパッド13から延び出るゲート配線12によって導電接続され、チャネルをすべて同じように制御する。
FIG. 2 is a plan view of the vertical GaN-based FET 10 shown in FIG. According to this plan view, the gate electrode G and the opening 28 in the vertical GaN-based FET 10 are hexagonal and can be arranged densely in a plane. Further, side openings 38 are provided on both sides of or around the opening 28, and the connection structure 5 is formed in the side openings 38. However, the side openings 38 and the connection structure 5 are completely covered by the source electrode S. Thus, the side opening 38 and the connection structure 5 are arranged without providing any additional portion in terms of area. For this reason, it is possible to provide provision for mitigation of electric field concentration or improvement of pressure resistance in the vertical direction and kink phenomenon while maintaining a small size while being densely arranged in a plane.
The gate electrode G of each element is conductively connected by the gate wiring 12 extending from the gate pad 13, and all the channels are controlled in the same manner.

型GaN系ドリフト層4は、たとえば、厚み1μm〜25μm、キャリア濃度0.2×1016cm−3〜20.0×1016cm−3とするのがよい。p型GaN系バリア層6は、厚み0.1μm〜10μm、キャリア濃度0.5×1016cm−3〜50×1016cm−3とするのがよい。p型GaN系バリア層6のバックゲート効果の機能を重視する場合には、キャリア濃度を高めて、1×1017cm−3〜1×1019cm−3とすることができる。n型GaN系キャップ層8は、厚み0.1μm〜3μm、キャリア濃度1.0×1017cm−3〜30.0×1017cm−3とするのがよい。 For example, the n -type GaN-based drift layer 4 may have a thickness of 1 μm to 25 μm and a carrier concentration of 0.2 × 10 16 cm −3 to 20.0 × 10 16 cm −3 . The p-type GaN-based barrier layer 6 may have a thickness of 0.1 μm to 10 μm and a carrier concentration of 0.5 × 10 16 cm −3 to 50 × 10 16 cm −3 . When emphasizing the function of the back gate effect of the p-type GaN-based barrier layer 6, the carrier concentration can be increased to 1 × 10 17 cm −3 to 1 × 10 19 cm −3 . The n + -type GaN-based cap layer 8 may have a thickness of 0.1 μm to 3 μm and a carrier concentration of 1.0 × 10 17 cm −3 to 30.0 × 10 17 cm −3 .

再成長層27において、電子走行層22は厚み5nm〜100nm程度とし、電子供給層26は厚み1nm〜100nm程度とするのがよい。電子走行層22の厚みが5nmより薄いと、2DEGと電子供給層26/電子走行層22の界面が近接しすぎて2DEGの移動度を低下させる。電子走行層22の厚みが100nmを超えると、p型GaN層6の効果が薄れ、ピンチオフ特性が劣化するので、100nm以下とするのがよい。   In the regrowth layer 27, the electron transit layer 22 is preferably about 5 nm to 100 nm in thickness, and the electron supply layer 26 is preferably about 1 nm to 100 nm in thickness. When the thickness of the electron transit layer 22 is less than 5 nm, the interface between the 2DEG and the electron supply layer 26 / the electron transit layer 22 is too close to reduce the mobility of the 2DEG. If the thickness of the electron transit layer 22 exceeds 100 nm, the effect of the p-type GaN layer 6 is reduced and the pinch-off characteristics are deteriorated.

−製造方法−
次に、本実施の形態における縦型GaN系の半導体装置10の製造方法を説明する。具体的にするために、GaN系層を、GaN層と記載する。まず、図3(a)に示すように、支持基体上にオーミック接触するGaN層を有する基板1またはGaN基板1の上に、n型GaNドリフト層4/p型GaNバリア層6/n型GaNキャップ層8、の積層体15をエピタキシャル成長する。これらの層の形成は、例えば、MOCVD(有機金属化学気相成長)法を用いる。またはMOCVD法でなくMBE(分子線エピタキシャル)法を用いてもよい。これにより結晶性の良いGaN系半導体層を形成できる。また、各層の膜厚、キャリア濃度は、次のとおりである。
型GaNドリフト層4:厚み5.0μm、キャリア濃度5.0×1015cm−3
p型GaN層6:厚み0.5μm、キャリア濃度5.0×1018cm−3
型GaNキャップ層8:厚み0.3μm、キャリア濃度5.0×1017cm−3
-Manufacturing method-
Next, a method for manufacturing the vertical GaN-based semiconductor device 10 in the present embodiment will be described. In order to be specific, the GaN-based layer is referred to as a GaN layer. First, as shown in FIG. 3A, an n -type GaN drift layer 4 / p-type GaN barrier layer 6 / n + is formed on a substrate 1 or a GaN substrate 1 having a GaN layer in ohmic contact with a support base. A stacked body 15 of the type GaN cap layer 8 is epitaxially grown. For example, MOCVD (metal organic chemical vapor deposition) is used to form these layers. Alternatively, the MBE (molecular beam epitaxial) method may be used instead of the MOCVD method. Thereby, a GaN-based semiconductor layer with good crystallinity can be formed. The film thickness and carrier concentration of each layer are as follows.
n type GaN drift layer 4: thickness 5.0 μm, carrier concentration 5.0 × 10 15 cm −3
p-type GaN layer 6: thickness 0.5 μm, carrier concentration 5.0 × 10 18 cm −3
n + -type GaN cap layer 8: thickness 0.3 μm, carrier concentration 5.0 × 10 17 cm −3

次に、図3(b)に示すように、n型GaNキャップ層8上に、通常の露光技術を用いて、所定領域にレジストパターンM1を形成する。ここで形成するレジストパターンM1は、平面形状が六角形、断面形状が台形(メサ型)である。
その後、図4(a)に示すように、誘導結合プラズマ(Inductivity Coupled Plasma)を用いて生成した高密度プラズマを用いたRIE(Reactive Ion Etching:反応性イオンエッチング)により、n型GaNキャップ層8、p型GaN層6、およびn型GaNドリフト層4の一部をエッチングし、開口部28を形成する。これにより、n型GaNキャップ層8、p型GaN層6、およびn型GaNドリフト層4の端面は、開口部28に露出して開口部の壁面を構成する。この時点で、開口部28の壁面には、深さ数nm(1nm〜20nm程度)にわたって、エッチングダメージが発生している。なお、開口部28の壁面は、基板表面に対し約10°〜90°の傾斜面となっている。ただし、本発明では、製法を問わなければ、最も広くは、基板表面に対し0°超え90°以下である。側部開口38についても同様である。上記の傾斜面の基板表面に対する角度は、RIE法で用いる塩素ガスのガス圧および他のガスとの流量比により制御可能である。RIEが終了すると、有機洗浄を行い、アッシング等により、レジストパターンM1を除去する。
Next, as shown in FIG. 3B, a resist pattern M1 is formed in a predetermined region on the n + -type GaN cap layer 8 using a normal exposure technique. The resist pattern M1 formed here has a hexagonal plane shape and a trapezoidal (mesa type) cross-sectional shape.
Thereafter, as shown in FIG. 4A, an n + -type GaN cap layer is formed by RIE (Reactive Ion Etching) using high-density plasma generated by using inductively coupled plasma. 8. Part of the p-type GaN layer 6 and the n -type GaN drift layer 4 is etched to form an opening 28. Thereby, the end surfaces of the n + -type GaN cap layer 8, the p-type GaN layer 6, and the n -type GaN drift layer 4 are exposed to the opening 28 to form the wall surface of the opening. At this point, etching damage has occurred on the wall surface of the opening 28 over a depth of several nm (about 1 nm to 20 nm). The wall surface of the opening 28 is an inclined surface of about 10 ° to 90 ° with respect to the substrate surface. However, in the present invention, the widest angle is between 0 ° and 90 ° or less with respect to the substrate surface, regardless of the production method. The same applies to the side openings 38. The angle of the inclined surface with respect to the substrate surface can be controlled by the gas pressure of chlorine gas used in the RIE method and the flow rate ratio with other gases. When RIE ends, organic cleaning is performed, and the resist pattern M1 is removed by ashing or the like.

続いて、TMAH(水酸化テトラメチルアンモニウム)水溶液をエッチング液として、開口部壁面の異方性ウエットエッチングを行う(80℃、数分〜数時間)。異方性ウエットエッチングによって、高密度プラズマを用いたRIEによって開口部28の壁面に生じたエッチングダメージを除去する。同時に、n型GaNキャップ層8、p型GaN層6の端面の一部にそれぞれのm面を露出させる。
開口部28の側面は、複数のほぼ基板面に垂直な面Sと、各面Sの間を補完するように形成された傾斜した面Sとが、開口部の側面の傾斜方向(傾斜角度θ)に混在して形成されている。縦型FET10では、主面が{0001}面であるGaN基板1の場合、六方晶のGaN層、およびAlGaN層を{0001}面(以下、C面とする)を成長面として、エピタキシャル成長させている。したがって、n型GaNキャップ層8における垂直な面Sは、{1−100}面(以下、m面とする)となる。m面は、C面とは異なり無極性面である。このため、m面を成長面として、GaN電子走行層22、AlGaN電子供給層26を再成長させることによって、ピエゾ電荷等の分極電荷がAlGaN26/GaN22のヘテロ界面に生じない。このためチャネルの最低エネルギーを低下させる向きの電界は生じない。これによって、より一層、ピンチオフ特性の向上を得ることができる。
図4(b)等における開口部28の壁面の傾斜角θが90°に近いほど、壁面におけるm面または面Sの占める割合が高くなる。よって、縦型FET10においてピンチオフ特性を一層向上するためには、傾斜角θが90°に近い方が好ましく、たとえば60°以上とするのがよい。
Subsequently, anisotropic wet etching of the wall surface of the opening is performed using an aqueous solution of TMAH (tetramethylammonium hydroxide) as an etchant (80 ° C., several minutes to several hours). By anisotropic wet etching, etching damage generated on the wall surface of the opening 28 by RIE using high-density plasma is removed. At the same time, the respective m-planes are exposed at part of the end faces of the n + -type GaN cap layer 8 and the p-type GaN layer 6.
The side surface of the opening 28 includes a plurality of surfaces S 1 that are substantially perpendicular to the substrate surface, and an inclined surface S 3 that is formed so as to complement between the surfaces S 1. Inclination angle θ) is mixed. In the vertical FET 10, in the case of the GaN substrate 1 whose main surface is the {0001} plane, the hexagonal GaN layer and the AlGaN layer are epitaxially grown with the {0001} plane (hereinafter referred to as C plane) as the growth plane. Yes. Therefore, the vertical plane S 1 in the n + -type GaN cap layer 8 is a {1-100} plane (hereinafter referred to as m plane). Unlike the C plane, the m plane is a nonpolar plane. For this reason, when the GaN electron transit layer 22 and the AlGaN electron supply layer 26 are regrown using the m-plane as the growth surface, polarization charges such as piezoelectric charges are not generated at the heterointerface of the AlGaN 26 / GaN 22. For this reason, the electric field of the direction which reduces the minimum energy of a channel does not arise. As a result, the pinch-off characteristics can be further improved.
The closer the tilt angle of the wall surface of the opening 28 theta is 90 ° shown in FIG. 4 (b) or the like, the proportion of m-plane or surface S 1 in the wall surface increases. Therefore, in order to further improve the pinch-off characteristics in the vertical FET 10, it is preferable that the inclination angle θ is close to 90 °, for example, 60 ° or more.

エッチングダメージの深さは、RIEの処理条件によって異なる。また、開口部境界面に対するm面の割合は製造する縦型FET10の仕様によって異なる。したがって、これらの条件を考慮して、異方性エッチングは、エッチングダメージを除去でき、かつ、所定の特定が得られるようなエッチングの条件で行えばよい。なお、異方性ウエットエッチングを行うためのエッチング液は、TMAH水溶液に限らない。エッチング液として、基板の材質に応じて適切なものを用いればよい。
図4(b)において、開口部28は、図2に示すように平面形状が六角形となる。
The depth of etching damage varies depending on RIE processing conditions. Further, the ratio of the m-plane to the opening boundary surface varies depending on the specifications of the vertical FET 10 to be manufactured. Therefore, in consideration of these conditions, the anisotropic etching may be performed under such etching conditions that etching damage can be removed and predetermined identification can be obtained. Note that the etching solution for performing anisotropic wet etching is not limited to the TMAH aqueous solution. An appropriate etchant may be used depending on the material of the substrate.
4B, the opening 28 has a hexagonal planar shape as shown in FIG.

次に、再成長層27を構成する、GaN電子走行層22およびAlGaN電子供給層26を、開口部28の壁面および開口部28の周囲のGaN系積層体15上に形成する。GaN電子走行層22とAlGaN電子供給層26との間にAlN中間層を挿入してもよい。再成長層27の成長では、まず、MOCVDを用いて、不純物を添加しないGaN電子走行層22を形成する。MOCVDにおける成長温度は、1020℃とする。AlN中間層を挿入する場合は、その後、成長温度を1080℃として、AlN中間層およびAlGaN電子供給層26を形成する。これによって開口部28の表面に沿って電子走行層22、AlN中間層、電子供給層26からなる再成長層27を形成する。なお、一例を挙げると、形成するGaN電子走行層22、AlN中間層、およびAlGaN電子供給層26の厚さは、それぞれ 100nm、1nm、24nmであり、AlGaN電子供給層26のAl組成比は、25%である。   Next, the GaN electron transit layer 22 and the AlGaN electron supply layer 26 constituting the regrowth layer 27 are formed on the wall surface of the opening 28 and the GaN-based laminate 15 around the opening 28. An AlN intermediate layer may be inserted between the GaN electron transit layer 22 and the AlGaN electron supply layer 26. In the growth of the regrowth layer 27, first, the GaN electron transit layer 22 to which no impurities are added is formed using MOCVD. The growth temperature in MOCVD is 1020 ° C. When inserting the AlN intermediate layer, the AlN intermediate layer and the AlGaN electron supply layer 26 are formed at a growth temperature of 1080 ° C. As a result, a regrowth layer 27 including the electron transit layer 22, the AlN intermediate layer, and the electron supply layer 26 is formed along the surface of the opening 28. As an example, the thicknesses of the GaN electron transit layer 22, the AlN intermediate layer, and the AlGaN electron supply layer 26 to be formed are 100 nm, 1 nm, and 24 nm, respectively, and the Al composition ratio of the AlGaN electron supply layer 26 is 25%.

再成長層の形成では、開口部28の壁面での成長速度の低下を避けるため、GaN系積層体15の成長温度より低い温度で、かつ高いV/III比で形成することが好ましい。さらに、電子走行層22の形成から中間層および電子供給層26を形成するために成長温度を昇温する際、結晶表面へのダメージを低減するため短時間で昇温することが好ましい。例えば、20分以下の時間で昇温することが好ましい。なお、MOCVD法でなくMBE法を用いてもよい。   In the formation of the regrowth layer, it is preferable to form the regrowth layer at a temperature lower than the growth temperature of the GaN-based stacked body 15 and at a high V / III ratio in order to avoid a decrease in the growth rate on the wall surface of the opening 28. Furthermore, when the growth temperature is raised in order to form the intermediate layer and the electron supply layer 26 from the formation of the electron transit layer 22, the temperature is preferably raised in a short time in order to reduce damage to the crystal surface. For example, it is preferable to raise the temperature in a time of 20 minutes or less. Note that the MBE method may be used instead of the MOCVD method.

その後、図5(a)に示すようにレジストパターンM2を形成し、このレジストパターンM2をマスクにして側部開口38aをドライエッチングにより設ける。このあと、図5(b)に示すように絶縁層5bを全面に形成する。絶縁層5bは、側部開口38の底部に設けることが目的であるが、とりあえず全面に堆積する。次いで、図5(c)に示すように、絶縁膜5b上に、レジストパターンM3を形成する。側部開口38の底部の絶縁膜5b上にもレジストパターンM3を形成する。このレジストパターンM3をマスクにして、図6(a)に示すように、エッチングによって先の側部開口38aよりも大径の側部開口38を設ける。この大径の側部開口38を形成するとき、絶縁層5bも一緒に、除去するのがよい。大径の側部開口38は、図6(a)に示すように、p型GaNバリア層6に少し入った深さまでとするのがよい。このあと、図6(b)に示すように、レジストパターンM2,M3を除去し、マスクパターン間の絶縁膜5bをリフトオフする。このあと接続構造5の金属層5aおよびソース電極Sを形成するためのレジストパターンM4を形成し、金属層5およびソース電極Sを、順次、形成する。レジストパターンM4を除去しながら、金属層5aおよびソース電極Sの層をリフトオフする。このあと、ゲート電極Gおよびドレイン電極Dを形成することができる。   Thereafter, a resist pattern M2 is formed as shown in FIG. 5A, and the side openings 38a are provided by dry etching using the resist pattern M2 as a mask. Thereafter, as shown in FIG. 5B, an insulating layer 5b is formed on the entire surface. The insulating layer 5b is intended to be provided at the bottom of the side opening 38, but is deposited over the entire surface for the time being. Next, as shown in FIG. 5C, a resist pattern M3 is formed on the insulating film 5b. A resist pattern M3 is also formed on the insulating film 5b at the bottom of the side opening 38. Using this resist pattern M3 as a mask, as shown in FIG. 6A, a side opening 38 having a diameter larger than that of the previous side opening 38a is provided by etching. When forming the large-diameter side opening 38, the insulating layer 5b may be removed together. As shown in FIG. 6A, the large-diameter side opening 38 is preferably set to a depth that slightly enters the p-type GaN barrier layer 6. Thereafter, as shown in FIG. 6B, the resist patterns M2 and M3 are removed, and the insulating film 5b between the mask patterns is lifted off. Thereafter, a resist pattern M4 for forming the metal layer 5a and the source electrode S of the connection structure 5 is formed, and the metal layer 5 and the source electrode S are sequentially formed. The metal layer 5a and the source electrode S are lifted off while removing the resist pattern M4. Thereafter, the gate electrode G and the drain electrode D can be formed.

接続構造5の金属層5aの形成にあたっては、上記の手順で、底部に絶縁層5bが設けられた側部開口38の所定深さ位置までTi/Al膜を形成する。その後、ソース電極SとしてTi/Al膜を、側部開口38を塞ぐように形成する。その後、窒素雰囲気中において800℃の温度で30秒の熱処理を行う。これにより、Ti/Al膜とGaN積層体(p型GaNバリア層6、n型GaNキャップ層8)または再成長層27との界面に合金層を形成する。この結果、オーミック接触抵抗が0.4Ωmm程度の良好なオーミックコンタクトを有する、金属層5aおよびソース電極Sを形成することができる。
ソース電極Sとしては、Ti/Al以外にも再成長層27とオーミックコンタクトする金属であれば何でもよい。また、ソース電極SとしてTi/Alを蒸着する前に、塩素系ガスを用いたRIE法によるエッチングで、AlGaN電子供給層26およびAlN中間層を除去することが好ましい。この場合、中間層による電子のバリアがなく、オーミックコンタクトにおける抵抗を0.2Ωmmに低減することができる。また、金属層5aを、ソース電極Sの材料と同じにしなくてもよい。
In forming the metal layer 5a of the connection structure 5, the Ti / Al film is formed up to a predetermined depth position of the side opening 38 provided with the insulating layer 5b at the bottom by the above procedure. Thereafter, a Ti / Al film is formed as the source electrode S so as to close the side opening 38. Thereafter, heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere at a temperature of 800 ° C. for 30 seconds. As a result, an alloy layer is formed at the interface between the Ti / Al film and the GaN stack (p-type GaN barrier layer 6, n + -type GaN cap layer 8) or regrowth layer 27. As a result, the metal layer 5a and the source electrode S having a good ohmic contact with an ohmic contact resistance of about 0.4 Ωmm can be formed.
The source electrode S may be any metal other than Ti / Al as long as it is in ohmic contact with the regrown layer 27. In addition, before depositing Ti / Al as the source electrode S, it is preferable to remove the AlGaN electron supply layer 26 and the AlN intermediate layer by etching by RIE using a chlorine-based gas. In this case, there is no electron barrier by the intermediate layer, and the resistance in the ohmic contact can be reduced to 0.2 Ωmm. Further, the metal layer 5a may not be the same as the material of the source electrode S.

ゲート電極Gの形成にあたっては、まず、通常の露光技術を用い、所定の開口部を有するフォトレジストを形成する。次に、蒸着法およびリフトオフ法を用い、開口部28に形成したAlGaN電子供給層26に沿ってNi/Au膜を形成する。なお、ゲート電極Gとしては、Ni/Au以外にも例えばPt/Au、Pd/AuおよびMo/Au等のGaN系半導体とショットキ接合を形成する金属であってもよい。   In forming the gate electrode G, first, a photoresist having a predetermined opening is formed using a normal exposure technique. Next, a Ni / Au film is formed along the AlGaN electron supply layer 26 formed in the opening 28 by using a vapor deposition method and a lift-off method. In addition to Ni / Au, the gate electrode G may be a metal that forms a Schottky junction with a GaN-based semiconductor such as Pt / Au, Pd / Au, and Mo / Au.

その後、ゲート電極Gおよびソース電極Sに接続する配線層(図示せず)を形成し、トランジスタ表面を保護する絶縁膜層(図示せず)を形成する。絶縁膜層としては、例えば、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜または窒化酸化シリコン膜をトランジスタ表面全体を覆うように形成する。また、ボンディングパッド部(図示せず)の絶縁膜層をRIE法を用いて除去する。以上によりウェーハ表面の製造工程が完了する。   Thereafter, a wiring layer (not shown) connected to the gate electrode G and the source electrode S is formed, and an insulating film layer (not shown) for protecting the transistor surface is formed. As the insulating film layer, for example, a silicon nitride film, a silicon oxide film, or a silicon nitride oxide film is formed so as to cover the entire transistor surface. Further, the insulating film layer of the bonding pad portion (not shown) is removed by using the RIE method. This completes the wafer surface manufacturing process.

ドレイン電極Dの形成にあたっては、まず、ウェーハ表面をフォトレジストで保護する。支持基体上にオーミック接触するGaN層を有する基板1の裏面に、蒸着法を用い、Ti/Al膜を形成する。ウェーハ表面のフォトレジストを除去した後、850℃の温度で30秒間熱処理する。これにより、支持基体上にオーミック接触するGaN層を有する基板1とドレイン電極Dの金属が合金を形成し、基板1とドレイン電極Dがオーミックコンタクトする。以上により図1に示す縦型GaN系FET10が完成する。   In forming the drain electrode D, first, the wafer surface is protected with a photoresist. A Ti / Al film is formed on the back surface of the substrate 1 having a GaN layer that is in ohmic contact with the support base, by vapor deposition. After removing the photoresist on the wafer surface, heat treatment is performed at a temperature of 850 ° C. for 30 seconds. As a result, the substrate 1 having the GaN layer in ohmic contact with the support base and the metal of the drain electrode D form an alloy, and the substrate 1 and the drain electrode D are in ohmic contact. Thus, the vertical GaN-based FET 10 shown in FIG. 1 is completed.

なお、ドレイン電極DをGaN基板1の裏面に形成しているが、n型GaNドリフト層4においてソース電極Sと相対する面にドレイン電極Dを形成するようにしてもよい。例えば、n型GaNドリフト層4とGaN基板1との間にn型のGaNコンタクト層を設け、表面側からコンタクト層に接続されるドレイン電極を形成することもできる。 Although the drain electrode D is formed on the back surface of the GaN substrate 1, the drain electrode D may be formed on the surface of the n -type GaN drift layer 4 facing the source electrode S. For example, an n - type GaN contact layer may be provided between the n -type GaN drift layer 4 and the GaN substrate 1 to form a drain electrode connected to the contact layer from the surface side.

(実施の形態1の変形例)
図7は、実施の形態1の変形例の半導体装置10であり、本発明の一実施例を示す図である。本変形例では、側部開口38に設けられる接続構造5の構造が簡単である点に特徴がある。すなわち側部開口38は、溝幅に段差がなく、幅が同じ溝である。このため、絶縁膜5b/金属層5aの形成工程が大幅に簡単化される。
開口部28の底部とくにコーナー部Kにおける電界集中が側部開口38によって緩和される作用、接続構造5によってp型GaN系バリア層6とソース電極Sとが導電接続されることによる正孔の引き抜き作用、などは、すべて実施の形態1の説明があてはまる。
(Modification of Embodiment 1)
FIG. 7 shows a semiconductor device 10 according to a modification of the first embodiment, and is a diagram illustrating an example of the present invention. This modification is characterized in that the structure of the connection structure 5 provided in the side opening 38 is simple. That is, the side openings 38 are grooves having the same width and no step. For this reason, the process of forming the insulating film 5b / metal layer 5a is greatly simplified.
The action of relaxing the electric field concentration at the bottom of the opening 28, particularly the corner K, by the side openings 38, and the extraction of holes due to the conductive connection between the p-type GaN-based barrier layer 6 and the source electrode S by the connection structure 5. The description of the first embodiment applies to the actions and the like.

(実施の形態2)
図8は、本発明の実施の形態2における半導体装置である縦型のGaN系FET10を示す断面図である。基板1、GaN系積層体15、開口部28、二次元電子ガスによるチャネルを含む再成長層27、側部開口38などの構成は、実施の形態1と共通である。実施の形態1と異なる点は、接続構造5をp型GaN系層5pで形成した点にある。この接続構造5(5p)が、本実施の形態の特徴でもある。
(Embodiment 2)
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a vertical GaN-based FET 10 which is a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. The configurations of the substrate 1, the GaN-based stacked body 15, the opening 28, the regrowth layer 27 including a channel by a two-dimensional electron gas, the side opening 38, and the like are the same as those in the first embodiment. The difference from the first embodiment is that the connection structure 5 is formed of a p + -type GaN-based layer 5p. This connection structure 5 (5p) is also a feature of the present embodiment.

型GaN系層5pは、p型GaN系バリア層6およびソース電極Sとは、低抵抗の接触を確実に実現することができる。一方、n型GaN系ドリフト層4とはpn接合の障壁で、電気的に隔てられる。このため、電気回路として実施の形態1における(金属層5a/絶縁層5b)の果たす役割を、p型GaN系層5pによって代替することができる。これによって、接続構造5の構成を簡単化することができる。その他の部分の作用、たとえば開口部28の底部とくにコーナー部Kにおける電界集中が側部開口38によって緩和される作用などは、すべて実施の形態1の説明があてはまる。 The p + -type GaN-based layer 5p can reliably realize low-resistance contact with the p-type GaN-based barrier layer 6 and the source electrode S. On the other hand, the n type GaN-based drift layer 4 is electrically separated by a barrier of a pn junction. Therefore, the role of (metal layer 5a / insulating layer 5b) in the first embodiment as an electric circuit can be replaced by the p + -type GaN-based layer 5p. Thereby, the structure of the connection structure 5 can be simplified. The description of the first embodiment applies to the operation of other parts, for example, the effect of reducing the electric field concentration at the bottom of the opening 28, particularly the corner K, by the side openings 38.

(実施の形態2の変形例)
図9は、実施の形態2の変形例の半導体装置10であり、本発明の一実施例を示す図である。本変形例では、側部開口38内の接続構造5を、(p型GaN系層5p/絶縁層5b)によって構成する点に特徴がある。絶縁層5bを、p型GaN系層5pとn型GaN系ドリフト層4との間に介在させることで、pn接合の電位障壁の大きさ等を気にせず、両者間の絶縁を確実にとることが可能になる。
その他の部分の作用、たとえば開口部28の底部とくにコーナー部Kにおける電界集中が側部開口38によって緩和される作用などは、すべて実施の形態1の説明があてはまる。
(Modification of Embodiment 2)
FIG. 9 shows a semiconductor device 10 according to a modification of the second embodiment, and is a diagram illustrating an example of the present invention. The present modification is characterized in that the connection structure 5 in the side opening 38 is constituted by (p + -type GaN-based layer 5p / insulating layer 5b). By interposing the insulating layer 5b between the p + -type GaN-based layer 5p and the n -type GaN-based drift layer 4, the insulation between the two is ensured without worrying about the size of the potential barrier of the pn junction. It becomes possible to take.
The description of the first embodiment applies to the operation of other parts, for example, the effect of reducing the electric field concentration at the bottom of the opening 28, particularly the corner K, by the side openings 38.

(実施の形態3)
図10は、本発明の実施の形態3における半導体装置であるGaN系FET10を示す断面図である。本実施の形態の半導体装置10と、図1に示す実施の形態1の半導体装置との相違は、ゲート電極Gと、チャネルを含む再成長層27との間に、ゲート絶縁膜9を介在させた点にある。ゲート電極G下に絶縁層9を配置することで、ゲート電極Gに正電圧を印加したときのゲートリーク電流を抑制できるため、大電流動作が可能となる。また、しきい値電圧をより正方向にシフトできるため、ノーマリーオフを得やすくなる。さらに、ゲート電極とドレイン電極との間に絶縁膜が介在することになり、電界集中の緩和もしくは縦耐圧性能の向上を得ることができる。
(Embodiment 3)
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a GaN-based FET 10 that is a semiconductor device according to Embodiment 3 of the present invention. The difference between the semiconductor device 10 of the present embodiment and the semiconductor device of the first embodiment shown in FIG. 1 is that the gate insulating film 9 is interposed between the gate electrode G and the regrowth layer 27 including the channel. It is in the point. By disposing the insulating layer 9 under the gate electrode G, a gate leakage current when a positive voltage is applied to the gate electrode G can be suppressed, so that a large current operation is possible. Further, since the threshold voltage can be shifted in the positive direction, it is easy to obtain normally-off. Furthermore, since an insulating film is interposed between the gate electrode and the drain electrode, it is possible to alleviate electric field concentration or improve the vertical withstand voltage performance.

製造方法としては、実施の形態1の製造方法において、ゲート電極Gを形成する前に、例えば酸化シリコン膜からなる絶縁膜9をCVD(Chemical Vapor Deposition)法やスパッタ法を用いて、開口部28内のAlGaN電子供給層26に沿って10nm形成することができる。これにより、MIS−HFET構造を有する、本実施の形態における縦型の半導体装置とできる。絶縁膜9としては、上記酸化シリコン膜以外にも、窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜を使用してもよい。
MIS構造以外の部分の作用、たとえば開口部28の底部とくにコーナー部Kにおける電界集中が側部開口38によって緩和される作用などは、すべて実施の形態1の説明があてはまる。
As a manufacturing method, before forming the gate electrode G in the manufacturing method of the first embodiment, the insulating film 9 made of, for example, a silicon oxide film is formed by using a CVD (Chemical Vapor Deposition) method or a sputtering method. It can be formed 10 nm along the inner AlGaN electron supply layer 26. Thereby, the vertical semiconductor device in this embodiment having a MIS-HFET structure can be obtained. As the insulating film 9, a silicon nitride film or an aluminum oxide film may be used in addition to the silicon oxide film.
The description of the first embodiment is applicable to the effects of portions other than the MIS structure, for example, the effect of reducing the electric field concentration at the bottom of the opening 28, particularly the corner K, by the side openings 38.

上記開示された本発明の実施形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。   The structures of the embodiments of the present invention disclosed above are merely examples, and the scope of the present invention is not limited to the scope of these descriptions. The scope of the present invention is indicated by the description of the scope of claims, and further includes meanings equivalent to the description of the scope of claims and all modifications within the scope.

本発明によれば、ゲート/チャネルが設けられる開口部の両側、もしくはそのまわりにドリフト層内に届く側部開口を設け、その側部開口内に、接続構造を配置することで、開口部の底部に生じる電界集中を緩和して耐圧性能を向上させることができる。さらに、上記の接続構造が、ソース電極とp型バリア層とを導電接続することで、p型バリア層に集積される正孔をソース電極に引き抜くことができる。上記の構成によって、これまで懸案であった、耐圧性能などの耐久性向上を実現することができる。   According to the present invention, side openings reaching the drift layer are provided on both sides of or around the opening where the gate / channel is provided, and the connection structure is disposed in the side opening, thereby The electric field concentration generated at the bottom can be relaxed and the pressure resistance can be improved. Furthermore, the connection structure described above electrically connects the source electrode and the p-type barrier layer, whereby holes accumulated in the p-type barrier layer can be extracted to the source electrode. With the above configuration, it is possible to realize durability improvement such as pressure resistance, which has been a concern.

1 GaN基板、4 n型GaN系ドリフト層、5 接続構造、5a 金属層、5b 絶縁層、5p p型GaN系層、6 p型GaN系バリア層、8 n型GaN系キャップ層、9 ゲート絶縁膜、10 縦型GaN系半導体装置、12 ゲート配線、13 ゲートパッド、15 GaN系積層体、22 GaN電子走行層、26 AlGaN電子供給層、 27 再成長層、28 開口部、28b 開口部の底部、38 側部開口、S
ソース電極、G ゲート電極、D ドレイン電極、K 開口部の底部コーナー、M1〜M4 レジストパターン。
1 GaN substrate, 4 n type GaN based drift layer, 5 connection structure, 5a metal layer, 5b insulating layer, 5p p + type GaN based layer, 6 p type GaN based barrier layer, 8 n + type GaN based cap layer, 9 Gate Insulating Film, 10 Vertical GaN Semiconductor Device, 12 Gate Wiring, 13 Gate Pad, 15 GaN Stack, 22 GaN Electron Traveling Layer, 26 AlGaN Electron Supply Layer, 27 Regrown Layer, 28 Opening, 28b Opening Bottom part, 38 side opening, S
Source electrode, G gate electrode, D drain electrode, bottom corner of K opening, M1-M4 resist pattern.

Claims (7)

GaN系積層体に形成された縦型トランジスタであって、
前記GaN系積層体は、基板側から表面へと順次、n型GaN系ドリフト層/p型GaN系バリア層/n型GaN系キャップ層、を有し、
前記GaN系積層体の表面から前記n型GaN系ドリフト層内に届く開口部と、
前記開口部の壁面に沿うように位置し、二次元電子ガスによるチャネルが形成される再成長層と、
前記再成長層の上に位置して前記チャネルを制御するゲート電極と、
前記開口部の両側、または該開口部のまわり、において、前記GaN系積層体の表面から前記n型GaN系ドリフト層内にまで届く側部開口と、
前記チャネルに電気的に連結し、かつ前記開口部の両側、または該開口部の周囲において前記側部開口に蓋をするように位置するソース電極とを備え、
前記側部開口には、該ソース電極を、少なくとも前記p型GaN系バリア層に導電接続し、かつ前記n型GaN系ドリフト層と絶縁する、接続構造が設けられていることを特徴とする、半導体装置。
A vertical transistor formed in a GaN-based stack,
The GaN-based laminate has an n-type GaN-based drift layer / p-type GaN-based barrier layer / n-type GaN-based cap layer sequentially from the substrate side to the surface,
An opening reaching the n-type GaN-based drift layer from the surface of the GaN-based stack;
A regrowth layer that is positioned along the wall surface of the opening and in which a channel formed by a two-dimensional electron gas is formed;
A gate electrode positioned over the regrowth layer to control the channel;
Side openings reaching the inside of the n-type GaN-based drift layer from the surface of the GaN-based stacked body on or around the opening,
A source electrode electrically connected to the channel and positioned so as to cover the side opening at both sides of the opening or around the opening;
The side opening is provided with a connection structure in which the source electrode is conductively connected to at least the p-type GaN-based barrier layer and insulated from the n-type GaN-based drift layer. Semiconductor device.
前記接続構造が、前記n型GaN系ドリフト層との間に絶縁体を介在させて、前記ソース電極およびp型GaN系バリア層に接触する金属層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 connection structure is a metal layer in contact with the source electrode and the p-type GaN-based barrier layer with an insulator interposed between the n-type GaN-based drift layer and the p-type GaN-based barrier layer. The semiconductor device described. 前記接続構造が、前記p型GaN系バリア層と前記ソース電極とに接触するp型半導体層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 semiconductor device according to claim 1, wherein the connection structure is a p-type semiconductor layer in contact with the p-type GaN-based barrier layer and the source electrode. 前記p型半導体層と前記n型GaN系ドリフト層との間に、絶縁体が介在することを特徴とする、請求項3に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 3, wherein an insulator is interposed between the p-type semiconductor layer and the n-type GaN-based drift layer. 前記接続構造が金属層を含む場合、該金属層が前記ソース電極と前記チャネルとを導電接続することを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein when the connection structure includes a metal layer, the metal layer electrically connects the source electrode and the channel. 前記チャネルを含む再成長層と、前記ゲート電極との間に絶縁膜が介在することを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載の半導体装置。   6. The semiconductor device according to claim 1, wherein an insulating film is interposed between the regrowth layer including the channel and the gate electrode. GaN系半導体による縦型トランジスタの製造方法であって、
GaN系基板上に、n型GaN系ドリフト層と、p型GaN系バリア層と、n型GaN系キャップ層とを、順次、成長することでGaN系積層体を形成する工程と、
前記GaN系積層体の表面から前記n型GaN系ドリフト層内に届く開口部を設ける工程と、
前記開口部の壁面に沿うように、二次元電子ガスによるチャネルを含む再成長層を形成する工程と、
前記開口部の両側、または該開口部のまわりに、前記GaN系積層体の表面から前記n型GaN系ドリフト層内にまで届く側部開口を設ける工程と、
前記側部開口に、前記n型GaN系ドリフト層と絶縁した上で、少なくとも前記p型GaN系バリア層に導電接続する接続構造を形成する工程と、
前記チャネルに電気的に連結し、かつ前記接続構造と導電接続しながら前記側部開口に蓋をするように、ソース電極を形成する工程とを備えることを特徴とする、半導体装置の製造方法。
A method of manufacturing a vertical transistor using a GaN-based semiconductor,
Forming a GaN-based stacked body by sequentially growing an n-type GaN-based drift layer, a p-type GaN-based barrier layer, and an n-type GaN-based cap layer on a GaN-based substrate;
Providing an opening that reaches from the surface of the GaN-based laminate into the n-type GaN-based drift layer;
Forming a regrowth layer including a channel by a two-dimensional electron gas along the wall surface of the opening; and
Providing side openings reaching both sides of the opening, or around the opening, from the surface of the GaN-based stack to the n-type GaN-based drift layer;
Forming a connection structure in the side opening that is electrically connected to at least the p-type GaN-based barrier layer after being insulated from the n-type GaN-based drift layer;
Forming a source electrode so as to cover the side opening while being electrically connected to the channel and conductively connected to the connection structure.
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