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JP6940762B2 - Semiconductor devices and their manufacturing methods - Google Patents
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Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the same.

窒化物半導体は、高い飽和電子速度及びワイドバンドギャップ等の特徴を有している。このため、これらの特性を利用して窒化物半導体を高耐圧及び高出力の半導体デバイスに適用することについて種々の検討が行われている。窒化物半導体を用いた半導体デバイスとしては、電界効果トランジスタ、特に高電子移動度トランジスタ(high electron mobility transistor:HEMT)についての報告が数多くなされている。窒化物半導体を用いたHEMTとして、GaNをチャネル層、AlGaNをバリア層に用いたHEMTが知られている。このHEMTでは、AlGaNとGaNとの間の格子定数差に起因した歪がAlGaNに生じ、この歪により発生したピエゾ分極により、高濃度の二次元電子ガスが得られる。 Nitride semiconductors have features such as high saturated electron velocities and wide band gaps. Therefore, various studies have been conducted on applying a nitride semiconductor to a semiconductor device having a high withstand voltage and a high output by utilizing these characteristics. As a semiconductor device using a nitride semiconductor, many reports have been made on field effect transistors, particularly high electron mobility transistors (HEMTs). As a HEMT using a nitride semiconductor, a HEMT using GaN as a channel layer and AlGaN as a barrier layer is known. In this HEMT, strain due to the difference in lattice constant between AlGaN and GaN is generated in AlGaN, and the piezo polarization generated by this strain obtains a high-concentration two-dimensional electron gas.

近年では、GaN層上に厚さが臨界膜厚以下のAlNバリア層を設け、このAlNバリア層上にGaNチャネル層及びAlNキャップ層を設けた量子閉じ込め構造のトランジスタも知られている。量子閉じ込め構造のトランジスタの量産には、有機金属気相成長(metal-organic vapor phase epitaxy:MOVPE法)が適している。 In recent years, a transistor having a quantum confinement structure in which an AlN barrier layer having a thickness of a critical film thickness or less is provided on a GaN layer and a GaN channel layer and an AlN cap layer are provided on the AlN barrier layer is also known. Metal-organic vapor phase epitaxy (MOVPE method) is suitable for mass production of transistors with a quantum confined structure.

しかしながら、MOVPE法でバリア層及びチャネル層を形成すると、十分な電子の移動度が得られない。 However, when the barrier layer and the channel layer are formed by the MOVPE method, sufficient electron mobility cannot be obtained.

特開2013−118383号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2013-118383 特開2006−310644号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2006-310644

本発明の目的は、量子閉じ込め構造において電子の移動度を向上することができる半導体装置及びその製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of improving electron mobility in a quantum confinement structure and a method for manufacturing the same.

半導体装置の一態様には、AlNの下地層と、前記下地層のN極性面上のAlNのバリア層と、前記バリア層上のGaNのチャネル層と、前記チャネル層上のAlGaNのキャップ層と、前記下地層と前記バリア層との間の、In a Al b Ga 1-a-b N(0≦a≦0.05、0.60≦b<1.00)のバックバリア層と、が含まれる。 In one aspect of the semiconductor device, an AlN underlayer, an AlN barrier layer on the N polar surface of the underlayer, a GaN channel layer on the barrier layer, and an AlGaN cap layer on the channel layer. , A back barrier layer of In a Al b Ga 1-ab N (0 ≦ a ≦ 0.05, 0.60 ≦ b <1.00) between the base layer and the barrier layer is included. ..

半導体装置の製造方法の一態様では、AlNの下地層のN極性面上に、In a Al b Ga 1-a-b N(0≦a≦0.05、0.60≦b<1.00)のバックバリア層を形成し、前記バックバリア層上にAlNのバリア層を形成し、前記バリア層上にGaNのチャネル層を形成し、前記チャネル層上にAlGaNのキャップ層を形成する。 In one aspect of the method for manufacturing a semiconductor device , In a Al b Ga 1-ab N (0 ≦ a ≦ 0.05, 0.60 ≦ b <1.00) is formed on the N polar surface of the base layer of AlN. A back barrier layer is formed, an AlN barrier layer is formed on the back barrier layer, a GaN channel layer is formed on the barrier layer, and an AlGaN cap layer is formed on the channel layer.

上記の半導体装置等によれば、適切な下地層及びバリア層が含まれるため、量子閉じ込め構造において電子の移動度を向上することができる。 According to the above-mentioned semiconductor device or the like, since an appropriate base layer and barrier layer are included, the mobility of electrons can be improved in the quantum confinement structure.

参考例を示す図である。It is a figure which shows the reference example. 第1の実施形態に係る半導体装置を示す図である。It is a figure which shows the semiconductor device which concerns on 1st Embodiment. 第2の実施形態に係る半導体装置を示す図である。It is a figure which shows the semiconductor device which concerns on 2nd Embodiment. 第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on 2nd Embodiment in process order. 図4Aに引き続き、半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。Following FIG. 4A, it is a cross-sectional view showing a manufacturing method of a semiconductor device in the order of processes. 図4Bに引き続き、半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。Following FIG. 4B, it is a cross-sectional view which shows the manufacturing method of a semiconductor device in process order. 第3の実施形態に係る半導体装置を示す図である。It is a figure which shows the semiconductor device which concerns on 3rd Embodiment. 第4の実施形態に係る半導体装置を示す図である。It is a figure which shows the semiconductor device which concerns on 4th Embodiment. 第5の実施形態に係る半導体装置を示す図である。It is a figure which shows the semiconductor device which concerns on 5th Embodiment. 第6の実施形態に係る半導体装置を示す図である。It is a figure which shows the semiconductor device which concerns on 6th Embodiment. 第7の実施形態に係る半導体装置を示す図である。It is a figure which shows the semiconductor device which concerns on 7th Embodiment. 第8の実施形態に係る半導体装置を示す図である。It is a figure which shows the semiconductor device which concerns on 8th Embodiment. 第9の実施形態に係る半導体装置を示す図である。It is a figure which shows the semiconductor device which concerns on 9th Embodiment. 第10の実施形態に係るディスクリートパッケージを示す図である。It is a figure which shows the discrete package which concerns on 10th Embodiment. 第11の実施形態に係るPFC回路を示す結線図である。It is a wiring diagram which shows the PFC circuit which concerns on 11th Embodiment. 第12の実施形態に係る電源装置を示す結線図である。It is a wiring diagram which shows the power supply device which concerns on 12th Embodiment. 第12の実施形態に係る増幅器を示す結線図である。It is a wiring diagram which shows the amplifier which concerns on 12th Embodiment.

本願発明者らは、従来の量子閉じ込め構造のトランジスタの特性を解明すべく、図1に示す参考例について検討した。図1(a)は参考例の断面図であり、図1(b)は参考例のバンド図である。 The inventors of the present application examined the reference example shown in FIG. 1 in order to clarify the characteristics of a transistor having a conventional quantum confinement structure. FIG. 1A is a cross-sectional view of a reference example, and FIG. 1B is a band diagram of the reference example.

参考例の半導体装置10には、図1(a)に示すように、GaNのバッファ層1と、バッファ層1のN極性面上のAlNのバリア層2と、バリア層2上のGaNのチャネル層3と、チャネル層3上のAlNのキャップ層4と、が含まれる。半導体装置10は、バリア層2がバッファ層1のN極性面上にあるため、チャネル層3のバリア層2との界面近傍に2次元電子ガス(2DEG)5が発生する。 As shown in FIG. 1A, the semiconductor device 10 of the reference example includes a GaN buffer layer 1, an AlN barrier layer 2 on the N-polar plane of the buffer layer 1, and a GaN channel on the barrier layer 2. A layer 3 and an AlN cap layer 4 on the channel layer 3 are included. In the semiconductor device 10, since the barrier layer 2 is on the N-polar plane of the buffer layer 1, two-dimensional electron gas (2DEG) 5 is generated in the vicinity of the interface of the channel layer 3 with the barrier layer 2.

半導体装置10の製造に際してバリア層2、チャネル層3及びキャップ層4をMOVPE法で形成した場合、AlNのバリア層2がGaNのバッファ層1からGa原子を取り込み、AlNのキャップ層4がGaNのチャネル層3からGa原子を取り込む。この結果、図1(b)に示すように、バリア層2の価電子帯Ecが下がり、チャネル層3と間のバンドオフセットが低下する。このため、十分な量子閉じ込め効果が得られず、十分な移動度が得られない。 When the barrier layer 2, the channel layer 3 and the cap layer 4 are formed by the MOVPE method in the manufacture of the semiconductor device 10, the barrier layer 2 of AlN takes in Ga atoms from the buffer layer 1 of GaN, and the cap layer 4 of AlN is made of GaN. Ga atoms are taken in from the channel layer 3. As a result, as shown in FIG. 1 (b), the valence band Ec of the barrier layer 2 is lowered, and the band offset with the channel layer 3 is lowered. Therefore, a sufficient quantum confinement effect cannot be obtained, and a sufficient mobility cannot be obtained.

また、AlNとGaNとの間の格子定数差が大きいため、バリア層2の臨界膜厚が非常に小さく、バリア層2を厚く形成すると、バリア層2に欠陥が生じやすい。この点でも十分な量子閉じ込め効果が得られず、十分な移動度が得られない。 Further, since the difference in lattice constant between AlN and GaN is large, the critical film thickness of the barrier layer 2 is very small, and if the barrier layer 2 is formed thick, defects are likely to occur in the barrier layer 2. In this respect as well, a sufficient quantum confinement effect cannot be obtained, and sufficient mobility cannot be obtained.

本発明者らは、これらの知見に基づいて鋭意検討を行った結果、下記の実施形態に想到した。 As a result of diligent studies based on these findings, the present inventors have come up with the following embodiments.

以下、実施形態について添付の図面を参照しながら具体的に説明する。 Hereinafter, embodiments will be specifically described with reference to the accompanying drawings.

(第1の実施形態)
先ず、第1の実施形態について説明する。図2は、第1の実施形態に係る半導体装置を示す図である。
(First Embodiment)
First, the first embodiment will be described. FIG. 2 is a diagram showing a semiconductor device according to the first embodiment.

第1の実施形態に係る半導体装置100には、図2(a)に示すように、AlNの下地層101と、下地層101のN極性面上のAlNのバリア層102と、バリア層102上のGaNのチャネル層103と、チャネル層103上のAlGaNのキャップ層104と、が含まれる。キャップ層104の組成はAlNであってもよい。 As shown in FIG. 2A, the semiconductor device 100 according to the first embodiment includes an AlN base layer 101, an AlN barrier layer 102 on the N polar surface of the base layer 101, and a barrier layer 102. The GaN channel layer 103 and the AlGaN cap layer 104 on the channel layer 103 are included. The composition of the cap layer 104 may be AlN.

半導体装置100では、バリア層102が下地層101のN極性面上にあるため、チャネル層103に圧縮歪が生じ、チャネル層103のバリア層102との界面近傍に2次元電子ガス(2DEG)105が発生する。バリア層102をMOVPE法で形成したとしても、AlNの下地層101からバリア層102がGa原子を取り込むことはない。従って、Ga原子の取り込みに伴う価電子帯Ecの低下及びバンドオフセットの低下は生じず、図2(b)に示すように、チャネル層103とバリア層102との間のバンドオフセットが大きく、電子がチャネル層103内に強く閉じ込められる。キャップ層104をMOVPE法で形成した場合、キャップ層104がチャネル層103からGa原子を取り込み、チャネル層103と間のバンドオフセットが低下することがある。しかし、キャップ層104とチャネル層103との間の自発分極差が大きく、チャネル層103のピエゾ分極によりバンドが押し上げられるため、2DEG105に対する障壁は高い。更に、AlNのバリア層102はAlNの下地層101上に形成されているため、バリア層102は参考例のバリア層2よりも厚く形成することができる。これらの要因により、第1の実施形態では、優れた電子の移動度を得ることができる。 In the semiconductor device 100, since the barrier layer 102 is on the N-polar plane of the base layer 101, compression strain occurs in the channel layer 103, and the two-dimensional electron gas (2DEG) 105 near the interface of the channel layer 103 with the barrier layer 102. Occurs. Even if the barrier layer 102 is formed by the MOVPE method, the barrier layer 102 does not take in Ga atoms from the base layer 101 of AlN. Therefore, the valence band Ec and the band offset do not decrease due to the uptake of Ga atoms, and as shown in FIG. 2B, the band offset between the channel layer 103 and the barrier layer 102 is large, and the electrons Is tightly confined in the channel layer 103. When the cap layer 104 is formed by the MOVPE method, the cap layer 104 may take in Ga atoms from the channel layer 103, and the band offset with the channel layer 103 may decrease. However, the barrier to 2DEG 105 is high because the spontaneous polarization difference between the cap layer 104 and the channel layer 103 is large and the band is pushed up by the piezo polarization of the channel layer 103. Further, since the barrier layer 102 of AlN is formed on the base layer 101 of AlN, the barrier layer 102 can be formed thicker than the barrier layer 2 of the reference example. Due to these factors, in the first embodiment, excellent electron mobility can be obtained.

(第2の実施形態)
次に、第2の実施形態について説明する。第2の実施形態は化合物半導体エピタキシャル基板を含むHEMTの一例に関する。図3は、第2の実施形態に係る半導体装置を示す図である。
(Second Embodiment)
Next, the second embodiment will be described. The second embodiment relates to an example of a HEMT including a compound semiconductor epitaxial substrate. FIG. 3 is a diagram showing a semiconductor device according to the second embodiment.

図3に示すように、第2の実施形態に係る半導体装置200には、AlNの基板201、基板201のN極性面上のAlNのバリア層202、バリア層202上のGaNのチャネル層203、及びチャネル層203上のAlNのキャップ層204が含まれる。 As shown in FIG. 3, the semiconductor device 200 according to the second embodiment includes an AlN substrate 201, an AlN barrier layer 202 on the N polar surface of the substrate 201, and a GaN channel layer 203 on the barrier layer 202. And the AlN cap layer 204 on the channel layer 203 is included.

バリア層202の厚さは5nm〜15nm、例えば10nm程度であり、チャネル層203の厚さは2nm〜20nm、例えば10nm程度であり、キャップ層204の厚さは2nm〜10nm、例えば5nm程度である。キャップ層204がチャネル層203からGa原子を取り込んで、Gaを含有していてもよい。この場合、キャップ層204の組成は厚さ方向で変化しており、すなわちチャネル層203に近い箇所ほどAl組成が低い。キャップ層204の全体的なAl組成は概ね0.30以上1.00未満の範囲内にある。特に優れた量子閉じ込め効果を得るために、チャネル層203の厚さは20nm以下であることが好ましい。 The thickness of the barrier layer 202 is 5 nm to 15 nm, for example, about 10 nm, the thickness of the channel layer 203 is about 2 nm to 20 nm, for example, about 10 nm, and the thickness of the cap layer 204 is about 2 nm to 10 nm, for example, about 5 nm. .. The cap layer 204 may take in Ga atoms from the channel layer 203 and contain Ga. In this case, the composition of the cap layer 204 changes in the thickness direction, that is, the closer to the channel layer 203, the lower the Al composition. The overall Al composition of the cap layer 204 is generally in the range of 0.30 or more and less than 1.00. In order to obtain a particularly excellent quantum confinement effect, the thickness of the channel layer 203 is preferably 20 nm or less.

基板201、バリア層202、チャネル層203及びキャップ層204の積層体に、素子領域を画定する素子分離領域211が形成されている。素子領域内で、キャップ層204にソース用の開口部212及びドレイン用の開口部213が形成されており、開口部212内にソース電極221が形成され、開口部213内にドレイン電極222が形成されている。ソース電極221及びドレイン電極222を覆うパッシベーション膜224がキャップ層204上に形成されている。パッシベーション膜224の厚さは2nm〜500nm、例えば100nm程度である。パッシベーション膜224の材料は、例えば、Si、Al、Hf、Zr、Ti、Ta又はWの酸化物、窒化物又は酸窒化物であり、好ましくは窒化シリコンである。ソース電極221とドレイン電極222との間で、パッシベーション膜224にゲート用の開口部214が形成されている。半導体装置200には、開口部214を通じてキャップ層204と接するゲート電極223が含まれる。ソース電極221及びドレイン電極222は、例えばTa膜及びその上のAl膜を含み、チャネル層203とオーミック接触している。ゲート電極223は、例えばNi膜及びその上のAu膜を含み、キャップ層204とショットキー接触している。このように、半導体装置200には、チャネル層203上方のソース電極221、ドレイン電極222及びゲート電極223が含まれる。 The element separation region 211 that defines the element region is formed on the laminated body of the substrate 201, the barrier layer 202, the channel layer 203, and the cap layer 204. In the element region, the opening 212 for the source and the opening 213 for the drain are formed in the cap layer 204, the source electrode 221 is formed in the opening 212, and the drain electrode 222 is formed in the opening 213. Has been done. A passivation film 224 covering the source electrode 221 and the drain electrode 222 is formed on the cap layer 204. The thickness of the passivation film 224 is 2 nm to 500 nm, for example, about 100 nm. The material of the passivation film 224 is, for example, an oxide, nitride or oxynitride of Si, Al, Hf, Zr, Ti, Ta or W, preferably silicon nitride. An opening 214 for a gate is formed in the passivation film 224 between the source electrode 221 and the drain electrode 222. The semiconductor device 200 includes a gate electrode 223 that contacts the cap layer 204 through the opening 214. The source electrode 221 and the drain electrode 222 include, for example, a Ta film and an Al film on the Ta film, and are in ohmic contact with the channel layer 203. The gate electrode 223 includes, for example, a Ni film and an Au film on the Ni film, and is in Schottky contact with the cap layer 204. As described above, the semiconductor device 200 includes a source electrode 221 above the channel layer 203, a drain electrode 222, and a gate electrode 223.

第2の実施形態では、基板201、バリア層202、チャネル層203及びキャップ層204が化合物半導体エピタキシャル基板に含まれる。基板201はAlNの下地層の一例である。 In the second embodiment, the substrate 201, the barrier layer 202, the channel layer 203, and the cap layer 204 are included in the compound semiconductor epitaxial substrate. The substrate 201 is an example of the base layer of AlN.

次に、第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。図4A乃至図4Cは、第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。 Next, a method of manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment will be described. 4A to 4C are cross-sectional views showing the manufacturing method of the semiconductor device according to the second embodiment in the order of processes.

先ず、図4A(a)に示すように、基板201上に、バリア層202、チャネル層203及びキャップ層204を形成する。バリア層202、チャネル層203及びキャップ層204は、例えばMOVPE法又は分子線エピタキシー(molecular beam epitaxy:MBE)法等の結晶成長法により形成することができる。MOVPE法により形成する場合、原料ガスとして、例えばトリメチルアルミニウム(TMAl)ガス、トリメチルガリウム(TMGa)ガス、トリメチルインジウム(TMIn)ガス及びアンモニア(NH3)ガスの混合ガスを用い、キャリアガスとして窒素(N2)ガス又は水素(H2)ガスを用いる。形成しようとする化合物半導体層に応じて、TMAlガス、TMGaガス及びTMInガスの供給の有無並びに流量を適宜設定する。例えば、成長圧力は1kPa〜100kPa程度とし、成長温度は700℃〜1500℃程度とする。 First, as shown in FIG. 4A (a), the barrier layer 202, the channel layer 203, and the cap layer 204 are formed on the substrate 201. The barrier layer 202, the channel layer 203, and the cap layer 204 can be formed by a crystal growth method such as the MOVPE method or the molecular beam epitaxy (MBE) method. When formed by the MOVPE method, for example, a mixed gas of trimethylaluminum (TMAl) gas, trimethylgallium (TMGa) gas, trimethylindium (TMIn) gas and ammonia (NH 3 ) gas is used as a raw material gas, and nitrogen (TH3) is used as a carrier gas. N 2 ) gas or hydrogen (H 2 ) gas is used. Depending on the compound semiconductor layer to be formed, the presence or absence of supply of TMAl gas, TMGa gas and TMIn gas and the flow rate are appropriately set. For example, the growth pressure is about 1 kPa to 100 kPa, and the growth temperature is about 700 ° C. to 1500 ° C.

次いで、図4A(b)に示すように、キャップ層204、チャネル層203、バリア層202及び基板201の一部の積層体に、素子領域を画定する素子分離領域211を形成する。素子分離領域211の形成では、例えば、素子分離領域211を形成する予定の領域を露出するフォトレジストのパターンをキャップ層204上に形成し、このパターンをマスクとしてAr等のイオン注入を行う。このパターンをエッチングマスクとして塩素系ガスを用いたドライエッチングを行ってもよい。 Next, as shown in FIG. 4A (b), an element separation region 211 that defines the element region is formed in a partial laminate of the cap layer 204, the channel layer 203, the barrier layer 202, and the substrate 201. In the formation of the element separation region 211, for example, a photoresist pattern that exposes the region where the element separation region 211 is to be formed is formed on the cap layer 204, and ion implantation of Ar or the like is performed using this pattern as a mask. Dry etching using a chlorine-based gas may be performed using this pattern as an etching mask.

その後、素子領域内において、図4A(c)に示すように、キャップ層204に開口部212及び213を形成する。開口部212及び213の形成では、例えば塩素系ガスを用いたドライエッチングを行う。 Then, in the element region, openings 212 and 213 are formed in the cap layer 204 as shown in FIG. 4A (c). In the formation of the openings 212 and 213, for example, dry etching using a chlorine-based gas is performed.

続いて、図4B(d)に示すように、開口部212内にソース電極221を形成し、開口部213内にドレイン電極222を形成する。ソース電極221及びドレイン電極222は、例えばリフトオフ法により形成することができる。すなわち、ソース電極221を形成する予定の領域及びドレイン電極222を形成する予定の領域を露出し、他の領域を覆うフォトレジストのパターンを形成し、このパターンを成長マスクとして蒸着法により金属膜を形成し、このパターンをその上の金属膜と共に除去する。金属膜の形成では、例えば、厚さが10nm〜30nm、例えば20nm程度のTa膜を形成し、その上に厚さが180nm〜220nm、例えば200nm程度のAl膜を形成する。次いで、例えば、N2ガス雰囲気中にて400℃〜1000℃(例えば550℃)で、急速加熱処理(rapid thermal annealing:RTA)等の熱処理を行い、オーミック接触を得る。 Subsequently, as shown in FIG. 4B (d), the source electrode 221 is formed in the opening 212, and the drain electrode 222 is formed in the opening 213. The source electrode 221 and the drain electrode 222 can be formed by, for example, a lift-off method. That is, the region where the source electrode 221 is to be formed and the region where the drain electrode 222 is to be formed are exposed to form a photoresist pattern covering the other regions, and a metal film is formed by a vapor deposition method using this pattern as a growth mask. It forms and removes this pattern along with the metal film on it. In the formation of the metal film, for example, a Ta film having a thickness of 10 nm to 30 nm, for example, about 20 nm is formed, and an Al film having a thickness of 180 nm to 220 nm, for example, about 200 nm is formed on the Ta film. Then, for example, heat treatment such as rapid thermal annealing (RTA) is performed at 400 ° C. to 1000 ° C. (for example, 550 ° C.) in an N 2 gas atmosphere to obtain ohmic contact.

その後、図4B(e)に示すように、ソース電極221及び222電極107を覆うパッシベーション膜224をキャップ層104上に形成する。パッシベーション膜224は、例えばプラズマ化学気相成長(plasma enhanced chemical vapor deposition:PECVD)法、原子堆積(atomic layer deposition:ALD)法又はスパッタ法により形成することができる。パッシベーション膜224として窒化シリコン膜を形成する場合、プラズマCVD法が好ましい。 Then, as shown in FIG. 4B (e), a passivation film 224 covering the source electrodes 221 and 222 electrodes 107 is formed on the cap layer 104. The passivation film 224 can be formed by, for example, a plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) method, an atomic layer deposition (ALD) method, or a sputtering method. When forming a silicon nitride film as the passivation film 224, the plasma CVD method is preferable.

続いて、図4C(f)に示すように、パッシベーション膜224に開口部214を形成する。開口部214を形成する際には、開口部214を形成する予定の領域を露出するレジストパターンをパッシベーション膜224上に形成し、パッシベーション膜224のエッチングを行う。エッチングとしては、例えば弗素系ガス若しくは塩素系ガスを用いたドライエッチング又は弗酸若しくはバッファード弗酸を用いたウェットエッチングを行う。 Subsequently, as shown in FIG. 4C (f), an opening 214 is formed in the passivation film 224. When forming the opening 214, a resist pattern that exposes the region where the opening 214 is to be formed is formed on the passivation film 224, and the passivation film 224 is etched. As the etching, for example, dry etching using a fluorine-based gas or a chlorine-based gas or wet etching using a fluoroacid or a buffered fluoroacid is performed.

次いで、図4C(g)に示すように、開口部214を通じてキャップ層204と接するゲート電極223をパッシベーション膜224上に形成する。ゲート電極223は、例えばリフトオフ法により形成することができる。すなわち、ゲート電極223を形成する予定の領域を露出するフォトレジストのパターンを形成し、このパターンを成長マスクとして蒸着法により金属膜を形成し、このパターンをその上の金属膜と共に除去する。金属膜の形成では、例えば、厚さが20nm〜40nm、例えば30nm程度のNi膜を形成した後に厚さが350nm〜450nm、例えば400nm程度のAu膜を形成する。 Next, as shown in FIG. 4C (g), a gate electrode 223 in contact with the cap layer 204 through the opening 214 is formed on the passivation film 224. The gate electrode 223 can be formed by, for example, a lift-off method. That is, a pattern of a photoresist that exposes a region where the gate electrode 223 is to be formed is formed, a metal film is formed by a vapor deposition method using this pattern as a growth mask, and this pattern is removed together with the metal film on the pattern. In the formation of the metal film, for example, a Ni film having a thickness of 20 nm to 40 nm, for example, about 30 nm is formed, and then an Au film having a thickness of 350 nm to 450 nm, for example, about 400 nm is formed.

そして、必要に応じて保護膜及び配線等を形成して、半導体装置を完成させる。 Then, if necessary, a protective film, wiring, and the like are formed to complete the semiconductor device.

第2の実施形態では、バリア層202が基板201のN極性面上にあるため、チャネル層203に圧縮歪が生じ、チャネル層203のバリア層202との界面近傍に2DEGが発生する。バリア層202をMOVPE法で形成したとしても、AlNの基板201からバリア層202がGa原子を取り込むことはない。従って、Ga原子の取り込みに伴うバンドオフセットの低下は生じず、チャネル層203とバリア層202との間のバンドオフセットが大きく、電子がチャネル層203内に強く閉じ込められる。キャップ層204をMOVPE法で形成した場合、キャップ層204がチャネル層203からGa原子を取り込み、チャネル層203と間のバンドオフセットが低下することがある。しかし、キャップ層204とチャネル層203との間の自発分極差が大きく、チャネル層203のピエゾ分極によりバンドが押し上げられるため、2DEGに対する障壁は高い。更に、AlNのバリア層202はAlNの基板201上に形成されているため、バリア層202は参考例のバリア層2よりも厚く形成しても、バリア層2に欠陥が生じにくく、チャネル層203に圧縮歪が生じさせることができる。これらの要因により、第2の実施形態でも、優れた電子の移動度を得ることができる。 In the second embodiment, since the barrier layer 202 is on the N-polar plane of the substrate 201, compression strain is generated in the channel layer 203, and 2DEG is generated in the vicinity of the interface of the channel layer 203 with the barrier layer 202. Even if the barrier layer 202 is formed by the MOVPE method, the barrier layer 202 does not take in Ga atoms from the AlN substrate 201. Therefore, the band offset does not decrease due to the uptake of Ga atoms, the band offset between the channel layer 203 and the barrier layer 202 is large, and electrons are strongly confined in the channel layer 203. When the cap layer 204 is formed by the MOVPE method, the cap layer 204 may take in Ga atoms from the channel layer 203, and the band offset with the channel layer 203 may decrease. However, since the spontaneous polarization difference between the cap layer 204 and the channel layer 203 is large and the band is pushed up by the piezo polarization of the channel layer 203, the barrier to 2DEG is high. Further, since the barrier layer 202 of AlN is formed on the substrate 201 of AlN, even if the barrier layer 202 is formed thicker than the barrier layer 2 of the reference example, defects are less likely to occur in the barrier layer 2 and the channel layer 203 is formed. Can cause compression distortion. Due to these factors, excellent electron mobility can be obtained even in the second embodiment.

(第3の実施形態)
次に、第3の実施形態について説明する。第3の実施形態は化合物半導体エピタキシャル基板を含むHEMTの一例に関する。図5は、第3の実施形態に係る半導体装置を示す図である。
(Third Embodiment)
Next, a third embodiment will be described. The third embodiment relates to an example of a HEMT including a compound semiconductor epitaxial substrate. FIG. 5 is a diagram showing a semiconductor device according to the third embodiment.

図5に示すように、第3の実施形態に係る半導体装置300には、AlNのキャップ層204に代えてAlGaNのキャップ層304が含まれる。キャップ層304の組成は、例えばAlyGa1-yN(0.30≦y<1.00)で表され、キャップ層304の厚さは2nm〜10nm、例えば5nm程度である。キャップ層304は、例えばAl0.5Ga0.5N層である。他の構成は第2の実施形態と同様である。 As shown in FIG. 5, the semiconductor device 300 according to the third embodiment includes an AlGaN cap layer 304 instead of the AlN cap layer 204. The composition of the cap layer 304 is represented by, for example, Al y Ga 1-y N (0.30 ≦ y <1.00), and the thickness of the cap layer 304 is 2 nm to 10 nm, for example, about 5 nm. The cap layer 304 is, for example, an Al 0.5 Ga 0.5 N layer. Other configurations are the same as in the second embodiment.

第3の実施形態に係る半導体装置300を製造する際には、AlNのキャップ層204に代えてAlGaNのキャップ層304を形成する。つまり、Gaの原料ガス(TMGaガス)を供給しながらキャップ層304を形成する。Gaの原料ガスを供給しながらキャップ層304を形成することで、チャネル層203からのGa原子の取り込みが制御され、キャップ層304の組成は厚さ方向で変化しにくい。このため、第2の実施形態と比較して、安定した特性を得やすい。 When manufacturing the semiconductor device 300 according to the third embodiment, the AlGaN cap layer 304 is formed in place of the AlN cap layer 204. That is, the cap layer 304 is formed while supplying the raw material gas (TMGa gas) of Ga. By forming the cap layer 304 while supplying the raw material gas of Ga, the uptake of Ga atoms from the channel layer 203 is controlled, and the composition of the cap layer 304 is unlikely to change in the thickness direction. Therefore, it is easy to obtain stable characteristics as compared with the second embodiment.

(第4の実施形態)
次に、第4の実施形態について説明する。第4の実施形態は化合物半導体エピタキシャル基板を含むHEMTの一例に関する。図6は、第4の実施形態に係る半導体装置を示す図である。
(Fourth Embodiment)
Next, a fourth embodiment will be described. A fourth embodiment relates to an example of a HEMT including a compound semiconductor epitaxial substrate. FIG. 6 is a diagram showing a semiconductor device according to the fourth embodiment.

図6(a)に示すように、第4の実施形態に係る半導体装置400には、AlNのキャップ層204に代えてキャップ層404が含まれる。キャップ層404には、チャネル層203上の第1のAlGaNの層404a及び第1の層404a上の第2のAlGaNの層404bが含まれ、層404aのAl組成が層404bのAl組成より低い。例えば、層404aの組成はAl0.2Ga0.8Nであり、層404bの組成はAl0.8Ga0.2Nである。層404a及び404bの厚さは、いずれも1nm〜5nm、例えば2nm程度である。キャップ層404の全体の組成は、例えばAlyGa1-yN(0.30≦y<1.00)で表される。他の構成は第2の実施形態と同様である。 As shown in FIG. 6A, the semiconductor device 400 according to the fourth embodiment includes a cap layer 404 instead of the AlN cap layer 204. The cap layer 404 includes a first AlGaN layer 404a on the channel layer 203 and a second AlGaN layer 404b on the first layer 404a, and the Al composition of the layer 404a is lower than the Al composition of the layer 404b. .. For example, the composition of layer 404a is Al 0.2 Ga 0.8 N, and the composition of layer 404b is Al 0.8 Ga 0.2 N. The thickness of the layers 404a and 404b is 1 nm to 5 nm, for example, about 2 nm. The overall composition of the cap layer 404 is represented by, for example, Al y Ga 1-y N (0.30 ≦ y <1.00). Other configurations are the same as in the second embodiment.

第4の実施形態では、図6(b)に示すように、層404aがサブチャネルとして機能し得る。つまり、ドレイン電圧が高くなった場合に、電子がチャネル層203から層404aに移動するため、より高電圧まで動作が可能となる。従って、第2の実施形態と比較して、優れた耐圧を得ることができる。 In a fourth embodiment, layer 404a can function as a subchannel, as shown in FIG. 6 (b). That is, when the drain voltage becomes high, the electrons move from the channel layer 203 to the layer 404a, so that the operation can be performed up to a higher voltage. Therefore, an excellent pressure resistance can be obtained as compared with the second embodiment.

上面に近いほどAl組成が高くなっていれば、キャップ層404に含まれる層の数は3以上であってもよい。Al組成が段階的ではなく連続的に変化していてもよい。 As long as the Al composition is higher as it is closer to the upper surface, the number of layers contained in the cap layer 404 may be 3 or more. The Al composition may change continuously rather than stepwise.

(第5の実施形態)
次に、第5の実施形態について説明する。第5の実施形態は化合物半導体エピタキシャル基板を含むHEMTの一例に関する。図7は、第5の実施形態に係る半導体装置を示す図である。
(Fifth Embodiment)
Next, a fifth embodiment will be described. A fifth embodiment relates to an example of a HEMT including a compound semiconductor epitaxial substrate. FIG. 7 is a diagram showing a semiconductor device according to the fifth embodiment.

図7に示すように、第5の実施形態に係る半導体装置500には、厚さ方向で基板201とバリア層202との間のバックバリア層506が含まれる。バックバリア層506の組成は、InaAlbGa1-a-bN(0≦a≦0.05、0.60≦b<1.00)で表され、バックバリア層506の厚さは1nm〜5nm、例えば2nm程度である。また、半導体装置500には、バリア層202に代えてn型不純物を含むAlNのバリア層502が含まれる。バリア層502の厚さは5nm〜15nm、例えば10nm程度である。バリア層502には、例えば、n型不純物としてSiが3×1018cm-3〜7×1018cm-3、例えば5×1018cm-3程度含まれる。バックバリア層506は、例えばAl0.8Ga0.2N層である。他の構成は第2の実施形態と同様である。 As shown in FIG. 7, the semiconductor device 500 according to the fifth embodiment includes a back barrier layer 506 between the substrate 201 and the barrier layer 202 in the thickness direction. The composition of the back barrier layer 506 is represented by In a Al b Ga 1-ab N (0 ≦ a ≦ 0.05, 0.60 ≦ b <1.00), and the thickness of the back barrier layer 506 is from 1 nm to 1 nm. It is about 5 nm, for example, about 2 nm. Further, the semiconductor device 500 includes an AlN barrier layer 502 containing an n-type impurity instead of the barrier layer 202. The thickness of the barrier layer 502 is 5 nm to 15 nm, for example, about 10 nm. The barrier layer 502 contains, for example, Si as an n-type impurity of about 3 × 10 18 cm -3 to 7 × 10 18 cm -3 , for example, about 5 × 10 18 cm -3. The back barrier layer 506 is, for example, an Al 0.8 Ga 0.2 N layer. Other configurations are the same as in the second embodiment.

第5の実施形態では、バックバリア層506とバリア層502との間に自発分極差が存在し、バックバリア層506に圧縮歪が生じ、これら自発分極差及びピエゾ分極により、図7(b)に示すように、バリア層202のバンドが押し上げられる。このため、電子がより強くチャネル層203に閉じ込められ、より優れた電子の移動度が得られる。また、バリア層502と基板201との間にバックバリア層506があるため、バリア層502に含まれるn型不純物によりキャリア濃度が向上する。 In the fifth embodiment, there is a spontaneous polarization difference between the back barrier layer 506 and the barrier layer 502, compression strain is generated in the back barrier layer 506, and these spontaneous polarization differences and the piezo polarization cause FIG. 7 ( As shown in b), the band of the barrier layer 202 is pushed up. Therefore, the electrons are more strongly confined in the channel layer 203, and better electron mobility can be obtained. Further, since the back barrier layer 506 is provided between the barrier layer 502 and the substrate 201, the carrier concentration is improved by the n-type impurities contained in the barrier layer 502.

バックバリア層506がGaを含んでいるが、Ga組成は低いため、バリア層502がGaを取り込んだとしても、バンドオフセットへの影響は無視できる程度である。 Although the back barrier layer 506 contains Ga, the Ga composition is low, so even if the barrier layer 502 takes in Ga, the effect on the band offset is negligible.

バリア層502に含まれるn型不純物がGe又はSnであってもよい。バリア層502に代えて、不純物が意図的に導入されていないバリア層202が用いられてもよい。但し、n型不純物を含むバリア層502が用いられた方が、バックバリア層506との相互作用によって高密度で2DEGを発生させることができるため、好ましい。第1〜第4の実施形態において、バリア層202に代えてn型不純物を含むバリア層502が用いられてもよい。 The n-type impurity contained in the barrier layer 502 may be Ge or Sn. Instead of the barrier layer 502, a barrier layer 202 in which impurities are not intentionally introduced may be used. However, it is preferable to use the barrier layer 502 containing n-type impurities because 2DEG can be generated at a high density by the interaction with the back barrier layer 506. In the first to fourth embodiments, a barrier layer 502 containing an n-type impurity may be used instead of the barrier layer 202.

(第6〜第9の実施形態)
次に、第6〜第9の実施形態について説明する。第6〜第9の実施形態は化合物半導体エピタキシャル基板を含むHEMTの一例に関する。図8〜図11は、それぞれ第6〜第9の実施形態に係る半導体装置を示す図である。
(6th to 9th embodiments)
Next, the sixth to ninth embodiments will be described. Sixth to ninth embodiments relate to an example of a HEMT including a compound semiconductor epitaxial substrate. 8 to 11 are diagrams showing semiconductor devices according to the sixth to ninth embodiments, respectively.

図8に示すように、第6の実施形態に係る半導体装置600に含まれるパッシベーション膜224には開口部214が形成されておらず、ゲート電極223がパッシベーション膜224上に形成されている。他の構成は第2の実施形態と同様である。つまり、第2の実施形態がショットキー型ゲート構造を備えているのに対し、第6の実施形態はMIS型ゲート構造を備えている。第6の実施形態によっても第2の実施形態と同様の効果が得られる。 As shown in FIG. 8, the passivation film 224 included in the semiconductor device 600 according to the sixth embodiment does not have an opening 214, and the gate electrode 223 is formed on the passivation film 224. Other configurations are the same as in the second embodiment. That is, while the second embodiment has a Schottky type gate structure, the sixth embodiment has a MIS type gate structure. The same effect as that of the second embodiment can be obtained by the sixth embodiment.

図9に示すように、第7の実施形態に係る半導体装置700に含まれるパッシベーション膜224には開口部214が形成されておらず、ゲート電極223がパッシベーション膜224上に形成されている。他の構成は第3の実施形態と同様である。つまり、第3の実施形態がショットキー型ゲート構造を備えているのに対し、第7の実施形態はMIS型ゲート構造を備えている。第7の実施形態によっても第3の実施形態と同様の効果が得られる。 As shown in FIG. 9, the passivation film 224 included in the semiconductor device 700 according to the seventh embodiment does not have an opening 214, and the gate electrode 223 is formed on the passivation film 224. Other configurations are the same as in the third embodiment. That is, while the third embodiment has a Schottky type gate structure, the seventh embodiment has a MIS type gate structure. The same effect as that of the third embodiment can be obtained by the seventh embodiment.

図10に示すように、第8の実施形態に係る半導体装置800に含まれるパッシベーション膜224には開口部214が形成されておらず、ゲート電極223がパッシベーション膜224上に形成されている。他の構成は第4の実施形態と同様である。つまり、第4の実施形態がショットキー型ゲート構造を備えているのに対し、第8の実施形態はMIS型ゲート構造を備えている。第8の実施形態によっても第4の実施形態と同様の効果が得られる。 As shown in FIG. 10, the passivation film 224 included in the semiconductor device 800 according to the eighth embodiment does not have an opening 214, and the gate electrode 223 is formed on the passivation film 224. Other configurations are the same as in the fourth embodiment. That is, while the fourth embodiment has a Schottky type gate structure, the eighth embodiment has a MIS type gate structure. The same effect as that of the fourth embodiment can be obtained by the eighth embodiment.

図11に示すように、第9の実施形態に係る半導体装置900に含まれるパッシベーション膜224には開口部214が形成されておらず、ゲート電極223がパッシベーション膜224上に形成されている。他の構成は第5の実施形態と同様である。つまり、第5の実施形態がショットキー型ゲート構造を備えているのに対し、第9の実施形態はMIS型ゲート構造を備えている。第9の実施形態によっても第5の実施形態と同様の効果が得られる。 As shown in FIG. 11, the passivation film 224 included in the semiconductor device 900 according to the ninth embodiment does not have an opening 214, and the gate electrode 223 is formed on the passivation film 224. Other configurations are the same as in the fifth embodiment. That is, the fifth embodiment has a Schottky type gate structure, whereas the ninth embodiment has a MIS type gate structure. The same effect as that of the fifth embodiment can be obtained by the ninth embodiment.

(第10の実施形態)
次に、第10の実施形態について説明する。第10の実施形態は、HEMTのディスクリートパッケージに関する。図12は、第10の実施形態に係るディスクリートパッケージを示す図である。
(10th Embodiment)
Next, a tenth embodiment will be described. A tenth embodiment relates to a discrete package of HEMTs. FIG. 12 is a diagram showing a discrete package according to the tenth embodiment.

第10の実施形態では、図12に示すように、第2〜第9の実施形態のいずれかのHEMTのHEMTチップ1210の裏面がはんだ等のダイアタッチ剤1234を用いてランド(ダイパッド)1233に固定されている。また、ドレイン電極222に接続されたドレインパッド1226dに、Alワイヤ等のワイヤ1235dが接続され、ワイヤ1235dの他端が、ランド1233と一体化しているドレインリード1232dに接続されている。ソース電極221に接続されたソースパッド1226sにAlワイヤ等のワイヤ1235sが接続され、ワイヤ1235sの他端がランド1233から独立したソースリード1232sに接続されている。ゲート電極223に接続されたゲートパッド1226gにAlワイヤ等のワイヤ1235gが接続され、ワイヤ1235gの他端がランド1233から独立したゲートリード1232gに接続されている。そして、ゲートリード1232gの一部、ドレインリード1232dの一部及びソースリード1232sの一部が突出するようにして、ランド1233及びHEMTチップ1210等がモールド樹脂1231によりパッケージングされている。 In the tenth embodiment, as shown in FIG. 12, the back surface of the HEMT HEMT chip 1210 according to any one of the second to ninth embodiments is attached to a land (die pad) 1233 using a die-attaching agent 1234 such as solder. It is fixed. Further, a wire 1235d such as an Al wire is connected to the drain pad 1226d connected to the drain electrode 222, and the other end of the wire 1235d is connected to the drain lead 1232d integrated with the land 1233. A wire 1235s such as an Al wire is connected to a source pad 1226s connected to the source electrode 221 and the other end of the wire 1235s is connected to a source lead 1232s independent of the land 1233. A wire 1235 g such as an Al wire is connected to a gate pad 1226 g connected to the gate electrode 223, and the other end of the wire 1235 g is connected to a gate lead 1232 g independent of the land 1233. Then, the land 1233, the HEMT chip 1210, and the like are packaged with the mold resin 1231 so that a part of the gate lead 1232g, a part of the drain lead 1232d, and a part of the source lead 1232s protrude.

このようなディスクリートパッケージは、例えば、次のようにして製造することができる。先ず、HEMTチップ1210をはんだ等のダイアタッチ剤1234を用いてリードフレームのランド1233に固定する。次いで、ワイヤ1235g、1235d及び1235sを用いたボンディングにより、ゲートパッド1226gをリードフレームのゲートリード1232gに接続し、ドレインパッド1226dをリードフレームのドレインリード1232dに接続し、ソースパッド1226sをリードフレームのソースリード1232sに接続する。その後、トランスファーモールド法にてモールド樹脂1231を用いた封止を行う。続いて、リードフレームを切り離す。 Such a discrete package can be manufactured, for example, as follows. First, the HEMT chip 1210 is fixed to the land 1233 of the lead frame using a die-attaching agent 1234 such as solder. Next, the gate pad 1226g is connected to the gate lead 1232g of the lead frame, the drain pad 1226d is connected to the drain lead 1232d of the lead frame, and the source pad 1226s is connected to the source of the lead frame by bonding using the wires 1235g, 1235d and 1235s. Connect to lead 1232s. Then, sealing is performed using the mold resin 1231 by the transfer molding method. Then, the lead frame is separated.

(第11の実施形態)
次に、第11の実施形態について説明する。第11の実施形態は、HEMTを備えたPFC(Power Factor Correction)回路に関する。図13は、第11の実施形態に係るPFC回路を示す結線図である。
(11th Embodiment)
Next, the eleventh embodiment will be described. The eleventh embodiment relates to a PFC (Power Factor Correction) circuit including HEMT. FIG. 13 is a wiring diagram showing the PFC circuit according to the eleventh embodiment.

PFC回路1250には、スイッチ素子(トランジスタ)1251、ダイオード1252、チョークコイル1253、コンデンサ1254及び1255、ダイオードブリッジ1256、並びに交流電源(AC)1257が設けられている。そして、スイッチ素子1251のドレイン電極と、ダイオード1252のアノード端子及びチョークコイル1253の一端子とが接続されている。スイッチ素子1251のソース電極と、コンデンサ1254の一端子及びコンデンサ1255の一端子とが接続されている。コンデンサ1254の他端子とチョークコイル1253の他端子とが接続されている。コンデンサ1255の他端子とダイオード1252のカソード端子とが接続されている。また、スイッチ素子1251のゲート電極にはゲートドライバが接続されている。コンデンサ1254の両端子間には、ダイオードブリッジ1256を介してAC1257が接続される。コンデンサ1255の両端子間には、直流電源(DC)が接続される。そして、本実施形態では、スイッチ素子1251に、第2〜第9の実施形態のいずれかのHEMTが用いられている。 The PFC circuit 1250 is provided with a switch element (transistor) 1251, a diode 1252, a choke coil 1253, capacitors 1254 and 1255, a diode bridge 1256, and an alternating current power supply (AC) 1257. Then, the drain electrode of the switch element 1251 and the anode terminal of the diode 1252 and one terminal of the choke coil 1253 are connected. The source electrode of the switch element 1251 is connected to one terminal of the capacitor 1254 and one terminal of the capacitor 1255. The other terminal of the capacitor 1254 and the other terminal of the choke coil 1253 are connected. The other terminal of the capacitor 1255 and the cathode terminal of the diode 1252 are connected. A gate driver is connected to the gate electrode of the switch element 1251. AC1257 is connected between both terminals of the capacitor 1254 via a diode bridge 1256. A direct current (DC) is connected between both terminals of the capacitor 1255. Then, in this embodiment, the HEMT of any of the second to ninth embodiments is used for the switch element 1251.

PFC回路1250の製造に際しては、例えば、はんだ等を用いて、スイッチ素子1251をダイオード1252及びチョークコイル1253等に接続する。 In manufacturing the PFC circuit 1250, for example, the switch element 1251 is connected to the diode 1252, the choke coil 1253, etc. by using solder or the like.

(第12の実施形態)
次に、第12の実施形態について説明する。第12の実施形態は、HEMTを備えた電源装置に関する。図14は、第12の実施形態に係る電源装置を示す結線図である。
(12th Embodiment)
Next, a twelfth embodiment will be described. A twelfth embodiment relates to a power supply device including a HEMT. FIG. 14 is a wiring diagram showing a power supply device according to the twelfth embodiment.

電源装置には、高圧の一次側回路1261及び低圧の二次側回路1262、並びに一次側回路1261と二次側回路1262との間に配設されるトランス1263が設けられている。 The power supply device is provided with a high-voltage primary circuit 1261 and a low-voltage secondary circuit 1262, and a transformer 1263 disposed between the primary circuit 1261 and the secondary circuit 1262.

一次側回路1261には、第11の実施形態に係るPFC回路1250、及びPFC回路1250のコンデンサ1255の両端子間に接続されたインバータ回路、例えばフルブリッジインバータ回路1260が設けられている。フルブリッジインバータ回路1260には、複数(ここでは4つ)のスイッチ素子1264a、1264b、1264c及び1264dが設けられている。 The primary side circuit 1261 is provided with an inverter circuit connected between both terminals of the PFC circuit 1250 and the capacitor 1255 of the PFC circuit 1250 according to the eleventh embodiment, for example, a full bridge inverter circuit 1260. The full bridge inverter circuit 1260 is provided with a plurality of (four in this case) switch elements 1264a, 1264b, 1264c, and 1264d.

二次側回路1262には、複数(ここでは3つ)のスイッチ素子1265a、1265b及び1265cが設けられている。 The secondary circuit 1262 is provided with a plurality of (three in this case) switch elements 1265a, 1265b, and 1265c.

本実施形態では、一次側回路1261を構成するPFC回路1250のスイッチ素子1251、並びにフルブリッジインバータ回路1260のスイッチ素子1264a、1264b、1264c及び1264dに、第2〜第9の実施形態のいずれかのHEMTが用いられている。一方、二次側回路1262のスイッチ素子1265a、1265b及び1265cには、シリコンを用いた通常のMIS型FET(電界効果トランジスタ)が用いられている。 In the present embodiment, the switch element 1251 of the PFC circuit 1250 constituting the primary side circuit 1261 and the switch elements 1264a, 1264b, 1264c and 1264d of the full bridge inverter circuit 1260 are subjected to any one of the second to ninth embodiments. HEMT is used. On the other hand, ordinary MIS type FETs (field effect transistors) using silicon are used for the switch elements 1265a, 1265b and 1265c of the secondary side circuit 1262.

(第13の実施形態)
次に、第13の実施形態について説明する。第13の実施形態は、HEMTを備えた増幅器に関する。図15は、第13の実施形態に係る増幅器を示す結線図である。
(13th Embodiment)
Next, the thirteenth embodiment will be described. A thirteenth embodiment relates to an amplifier with a HEMT. FIG. 15 is a wiring diagram showing the amplifier according to the thirteenth embodiment.

増幅器には、ディジタル・プレディストーション回路1271、ミキサー1272a及び1272b、並びにパワーアンプ1273が設けられている。 The amplifier is provided with a digital predistortion circuit 1271, mixers 1272a and 1272b, and a power amplifier 1273.

ディジタル・プレディストーション回路1271は、入力信号の非線形歪みを補償する。ミキサー1272aは、非線形歪みが補償された入力信号と交流信号とをミキシングする。パワーアンプ1273は、第2〜第9の実施形態のいずれかのHEMTを備えており、交流信号とミキシングされた入力信号を増幅する。なお、本実施形態では、例えば、スイッチの切り替えにより、出力側の信号をミキサー1272bで交流信号とミキシングしてディジタル・プレディストーション回路1271に送出できる。この増幅器は、高周波増幅器、高出力増幅器として使用することができる。 The digital predistortion circuit 1271 compensates for the non-linear distortion of the input signal. The mixer 1272a mixes the input signal and the AC signal in which the non-linear distortion is compensated. The power amplifier 1273 includes a HEMT according to any of the second to ninth embodiments, and amplifies an AC signal and a mixed input signal. In the present embodiment, for example, the output side signal can be mixed with the AC signal by the mixer 1272b and sent to the digital predistortion circuit 1271 by switching the switch. This amplifier can be used as a high frequency amplifier and a high output amplifier.

基板の種類は、上面がN極性面のAlNの下地層が得られれば、特に限定されない。SiC基板を用いる場合、SiC基板のC極性面上にAlN層を形成することで、上面がN極性面の下地層が得られる。サファイア基板を用いる場合、サファイア基板の表面をアンモニアで窒化させ、この窒化した表面上にAlN層を形成することで、上面がN極性面の下地層が得られる。 The type of the substrate is not particularly limited as long as an AlN base layer having an N-polar surface on the upper surface can be obtained. When a SiC substrate is used, by forming an AlN layer on the C-polar surface of the SiC substrate, a base layer having an N-polar surface on the upper surface can be obtained. When a sapphire substrate is used, the surface of the sapphire substrate is nitrided with ammonia and an AlN layer is formed on the nitrided surface to obtain a base layer having an N-polar surface on the upper surface.

ゲート電極、ソース電極及びドレイン電極の構造は上述の実施形態のものに限定されない。例えば、これらが単層から構成されていてもよい。また、これらの形成方法はリフトオフ法に限定されない。ゲート電極に、Ni及びAuの他にPd及び/又はPtが含まれていてもよい。 The structures of the gate electrode, the source electrode and the drain electrode are not limited to those of the above-described embodiment. For example, these may be composed of a single layer. Further, these forming methods are not limited to the lift-off method. The gate electrode may contain Pd and / or Pt in addition to Ni and Au.

以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。 Hereinafter, various aspects of the present invention will be collectively described as appendices.

(付記1)
AlNの下地層と、
前記下地層のN極性面上のAlNのバリア層と、
前記バリア層上のGaNのチャネル層と、
前記チャネル層上のAlGaNのキャップ層と、
を有することを特徴とする半導体装置。
(Appendix 1)
The base layer of AlN and
The AlN barrier layer on the N-polar surface of the base layer and
The GaN channel layer on the barrier layer and
The AlGaN cap layer on the channel layer and
A semiconductor device characterized by having.

(付記2)
前記チャネル層上方のソース電極、ドレイン電極及びゲート電極を有することを特徴とする付記1に記載の半導体装置。
(Appendix 2)
The semiconductor device according to Appendix 1, further comprising a source electrode, a drain electrode, and a gate electrode above the channel layer.

(付記3)
前記下地層はAlN基板であることを特徴とする付記1又は2に記載の半導体装置。
(Appendix 3)
The semiconductor device according to Appendix 1 or 2, wherein the base layer is an AlN substrate.

(付記4)
前記チャネル層の厚さが20nm以下であることを特徴とする付記1乃至3のいずれか1項に記載の半導体装置。
(Appendix 4)
The semiconductor device according to any one of Supplementary note 1 to 3, wherein the thickness of the channel layer is 20 nm or less.

(付記5)
前記キャップ層のAl組成は前記チャネル層から離間するほど高くなっていることを特徴とする付記1乃至4のいずれか1項に記載の半導体装置。
(Appendix 5)
The semiconductor device according to any one of Supplementary note 1 to 4, wherein the Al composition of the cap layer becomes higher as the distance from the channel layer increases.

(付記6)
前記チャネル層に圧縮歪が生じていることを特徴とする付記1乃至5のいずれか1項に記載の半導体装置。
(Appendix 6)
The semiconductor device according to any one of Supplementary note 1 to 5, wherein the channel layer is compressed and strained.

(付記7)
前記下地層と前記バリア層との間の、InaAlbGa1-a-bN(0≦a≦0.05、0.60≦b<1.00)のバックバリア層を有することを特徴とする付記1乃至6のいずれか1項に記載の半導体装置。
(Appendix 7)
It is characterized by having a back barrier layer of In a Al b Ga 1-ab N (0 ≦ a ≦ 0.05, 0.60 ≦ b <1.00) between the base layer and the barrier layer. The semiconductor device according to any one of Supplementary note 1 to 6.

(付記8)
前記バックバリア層に圧縮歪が生じていることを特徴とする付記7に記載の半導体装置。
(Appendix 8)
The semiconductor device according to Appendix 7, wherein the back barrier layer is compressed and strained.

(付記9)
前記バリア層はn型不純物を含むことを特徴とする付記1乃至8のいずれか1項に記載の半導体装置。
(Appendix 9)
The semiconductor device according to any one of Supplementary note 1 to 8, wherein the barrier layer contains n-type impurities.

(付記10)
付記1乃至9のいずれか1項に記載の半導体装置を有することを特徴とする電源装置。
(Appendix 10)
A power supply device comprising the semiconductor device according to any one of Supplementary notes 1 to 9.

(付記11)
付記1乃至9のいずれか1項に記載の半導体装置を有することを特徴とする増幅器。
(Appendix 11)
An amplifier comprising the semiconductor device according to any one of Supplementary notes 1 to 9.

(付記12)
AlNの下地層のN極性面上にAlNのバリア層を形成する工程と、
前記バリア層上にGaNのチャネル層を形成する工程と、
前記チャネル層上にAlGaNのキャップ層を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
(Appendix 12)
The process of forming the barrier layer of AlN on the N-polar surface of the base layer of AlN, and
A step of forming a GaN channel layer on the barrier layer and
A step of forming an AlGaN cap layer on the channel layer and
A method for manufacturing a semiconductor device.

(付記13)
前記チャネル層上方にソース電極、ドレイン電極及びゲート電極を形成する工程を有することを特徴とする付記12に記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 13)
The method for manufacturing a semiconductor device according to Appendix 12, further comprising a step of forming a source electrode, a drain electrode, and a gate electrode above the channel layer.

(付記14)
前記下地層はAlN基板であることを特徴とする付記12又は13に記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 14)
The method for manufacturing a semiconductor device according to Appendix 12 or 13, wherein the base layer is an AlN substrate.

(付記15)
前記チャネル層の厚さが20nm以下であることを特徴とする付記12乃至14のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 15)
The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of Supplementary note 12 to 14, wherein the thickness of the channel layer is 20 nm or less.

(付記16)
前記キャップ層のAl組成を前記チャネル層から離間するほど高くすることを特徴とする付記12乃至15のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 16)
The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of Supplementary note 12 to 15, wherein the Al composition of the cap layer is increased so as to be separated from the channel layer.

(付記17)
前記下地層と前記バリア層との間に、InaAlbGa1-a-bN(0≦a≦0.05、0.60≦b<1.00)のバックバリア層を形成する工程を有することを特徴とする付記12乃至16のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 17)
It has a step of forming a back barrier layer of In a Al b Ga 1-ab N (0 ≦ a ≦ 0.05, 0.60 ≦ b <1.00) between the base layer and the barrier layer. The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of Appendix 12 to 16, wherein the semiconductor device is manufactured.

(付記18)
前記バリア層にn型不純物を含ませることを特徴とする付記12乃至17のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 18)
The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of Supplementary note 12 to 17, wherein the barrier layer contains n-type impurities.

100、200、300、400、500、600、700、800、900:半導体装置
101:下地層
102、202:バリア層
103、203:チャネル層
104、204:キャップ層
105:2次元電子ガス
201:基板
221:ソース電極
222:ドレイン電極
223:ゲート電極
506:バックバリア層
100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900: Semiconductor device 101: Underlayer layer 102, 202: Barrier layer 103, 203: Channel layer 104, 204: Cap layer 105: Two-dimensional electron gas 201: Substrate 221: Source electrode 222: Drain electrode 223: Gate electrode 506: Back barrier layer

Claims (12)

AlNの下地層と、
前記下地層のN極性面上のAlNのバリア層と、
前記バリア層上のGaNのチャネル層と、
前記チャネル層上のAlGaNのキャップ層と、
前記下地層と前記バリア層との間の、In a Al b Ga 1-a-b N(0≦a≦0.05、0.60≦b<1.00)のバックバリア層と、
を有することを特徴とする半導体装置。
The base layer of AlN and
The AlN barrier layer on the N-polar surface of the base layer and
The GaN channel layer on the barrier layer and
The AlGaN cap layer on the channel layer and
A back barrier layer of In a Al b Ga 1-ab N (0 ≦ a ≦ 0.05, 0.60 ≦ b <1.00) between the base layer and the barrier layer.
A semiconductor device characterized by having.
前記チャネル層上方のソース電極、ドレイン電極及びゲート電極を有す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, further comprising a source electrode, a drain electrode, and a gate electrode above the channel layer. 前記下地層はAlN基板であることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1 or 2, wherein the base layer is an AlN substrate. 前記チャネル層の厚さが20nm以下であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 3, wherein the thickness of the channel layer is 20 nm or less. 前記キャップ層のAl組成は前記チャネル層から離間するほど高くなっていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 4, wherein the Al composition of the cap layer becomes higher as the distance from the channel layer increases. 前記バリア層はn型不純物を含むことを特徴とする請求項1乃至のいずれか1項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 5 , wherein the barrier layer contains n-type impurities. AlNの下地層のN極性面上に、In a Al b Ga 1-a-b N(0≦a≦0.05、0.60≦b<1.00)のバックバリア層を形成する工程と、
前記バックバリア層上にAlNのバリア層を形成する工程と、
前記バリア層上にGaNのチャネル層を形成する工程と、
前記チャネル層上にAlGaNのキャップ層を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
A step of forming a back barrier layer of In a Al b Ga 1-ab N (0 ≦ a ≦ 0.05, 0.60 ≦ b <1.00) on the N-polar surface of the base layer of AlN, and
A step of forming an AlN barrier layer on the back barrier layer and
A step of forming a GaN channel layer on the barrier layer and
A step of forming an AlGaN cap layer on the channel layer and
A method for manufacturing a semiconductor device.
前記チャネル層上方にソース電極、ドレイン電極及びゲート電極を形成する工程を有することを特徴とする請求項に記載の半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 7 , further comprising a step of forming a source electrode, a drain electrode, and a gate electrode above the channel layer. 前記下地層はAlN基板であることを特徴とする請求項又はに記載の半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 7 or 8 , wherein the base layer is an AlN substrate. 前記チャネル層の厚さが20nm以下であることを特徴とする請求項乃至のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 7 to 9 , wherein the thickness of the channel layer is 20 nm or less. 前記キャップ層のAl組成を前記チャネル層から離間するほど高くすることを特徴とする請求項乃至10のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 7 to 10 , wherein the Al composition of the cap layer is increased so as to be separated from the channel layer. 前記バリア層にn型不純物を含ませることを特徴とする請求項乃至11のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 7 to 11 , wherein the barrier layer contains n-type impurities.
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