JP5554024B2 - 窒化物系半導体電界効果トランジスタ - Google Patents

Description

本発明は、窒化物系半導体デバイスに関し、さらに詳しくは、ゲート電圧が印加されていない時にドレイン電流が流れない、いわゆるノーマリオフ型の窒化物系半導体ヘテロ接合電界効果トランジスタ（Ｈｅｔｅｒｏ−ｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＨＦＥＴ）に関する。

ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮなどのIII族窒化物半導体は、エネルギーバンドギャップが大きい等の材料の本質的特性から、従来のＳｉ、ＧａＡｓ等の半導体に比べ耐圧が高く、高電流密度が得られ、高温動作が可能であり、パワーデバイスへの適用が期待されている。
特に、ＧａＮ系半導体は、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ等のヘテロ接合の形成が可能であり、窒化物系半導体ヘテロ接合電界効果トランジスタ（ＨＦＥＴ）、別名、高電子移動度トランジスタ（Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＨＥＭＴ）が開発されている。

ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合ＦＥＴは、窒化物半導体の結晶構造による自発分極と、界面の歪によるピエゾ分極によりＡｌＧａＮ中で分極が起こり、その結果、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面のＧａＮ側にマイナスの電荷（電子）が蓄積し、高濃度の二次元電子ガスを形成する。この二次元電子ガスの形成により、ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合ＦＥＴは、ＡｌＧａＮにドーピングを行わなくてもチャネル抵抗（ＨＦＥＴのオン抵抗）を低く抑えることが可能で、高出力動作を達成できるという利点がある。

しかしながら、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ系ＨＦＥＴは、ゲート電圧がゼロの場合でも二次元電子ガスを無くすことは難しいため、ゲート信号が入っていない時にもＦＥＴに電流が流れるノーマリオンのデバイスであり、ゲート信号が入っていない時にＦＥＴに電流が流れない、いわゆるノーマリオフ状態（エンハンスメント・モード）を達成しにくい。
電源回路、モータ制御等のパワーデバイスに適用する場合には、ノーマリオフ動作が必須であり、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ系ＨＦＥＴのノーマリオフ動作を達成するための方法が提案されている（例えば、非特許文献１、非特許文献２、特許文献１）。

非特許文献１は、ＡｌＧａＮ層を薄くし、分極の効果を減少させる方法を提案している。また、非特許文献２は、サンプルをＣＦ_４プラズマに曝すことによりＡｌＧａＮ層にフッ素イオン（Ｆ⁻イオン）を注入し、ＡｌＧａＮ層を負に帯電させる方法を提案している。さらに、特許文献１は、制御ゲート電極とＡｌＧａＮ層の間のゲート絶縁膜中に、ＡｌＧａＮ層中の正の電荷を相殺して余りある電子あるいはイオンを注入した負の電荷を有する浮遊ゲート等の層を設けることにより、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ系ＨＦＥＴのしきい値電圧（Ｖ_ｔｈ）を正の値に制御し、ノーマリオフを実現する方法を提案している。

特開２００８−１３０６７２号公報

Ｍ．Ａ．Ｋａｈｎ他著、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒ、６８巻、４号、１９９６年１月、５１４〜５１６頁 Ｄｉ Ｓｏｎｇ他著、ＩＥＥＥ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ Ｌｅｔｔｅｒｓ、２８巻、３号、２００７年３月、１８９〜１９１頁

しかしながら、非特許文献１の方法では、完全にノーマリオフにすることが難しく、また、ゲートに正のバイアスを加えても、ゲートに順方向電流が流れてしまうため、十分な二次元電子ガス濃度、すなわち、十分なチャネル電流を得ることは困難という問題がある。ＡｌＧａＮ上にＡｌ_２Ｏ_３等の薄い絶縁膜を付けてゲート順方向電流を抑える方法も検討されているが、Ａｌ_２Ｏ_３／ＡｌＧａＮ界面の界面準位を減らすことが難しく、電子がトラップされてチャネル電荷を増やすことができない。

非特許文献２の方法では、ＣＦ_４プラズマによりＡｌＧａＮ層がエッチングされたり、ＡｌＧａＮ層にダメージが入ったりして制御性が悪く、しきい値電圧をノーマリオフになるように精密に制御することが難しいという問題がある。
さらに、特許文献１の方法は、ゲート電極とＡｌＧａＮ層の間の浮遊ゲート等の負に電荷を持つ層に付加する負の電荷量によってノーマリオフを実現することが可能であるが、相当量の電子あるいは負のイオンを付与する必要があるとい
う問題がある。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ノーマリオフ動作を達成でき、十分なチャネル電流を得られ、かつ、しきい値電圧の制御が容易な窒化物系半導体ヘテロ接合電界効果トランジスタを提供することである。

前述した課題を解決するための本発明は、ヘテロ接合界面をチャネルとする窒化物系半導体電界効果トランジスタにおいて、制御ゲート電極と窒化物系半導体以外の負のイオンを添加した絶縁体層からなる第三の層を制御ゲート電極と窒化物系半導体の間に有し、かつ、前記ヘテロ接合を形成する窒化物半導体中に負のイオンを含むことを特徴とする窒化物系半導体電界効果トランジスタである。

ここで、負のイオンを添加した絶縁体層からなる第三の層とは、制御ゲート電極と窒化物系半導体の間に有する制御ゲート電極と窒化物系半導体以外の層である。
これにより、負の電荷を有する第三の層が制御ゲート電極と窒化物系半導体の間に設けられ、かつ、前記ヘテロ接合を形成する窒化物半導体中の負のイオンにより、窒化物系半導体の電子に対するポテンシャルが実質的に高くなり、チャネルが空乏化される。これにより、ノーマリオフ動作を達成し、また、動作しきい値電圧を必要な正の電圧に制御することが可能になる。

また、前記第三の層は、電子により負に帯電した導電体層よりなり、前記導電体層が絶縁体層により覆われていてもよい。
これにより、第三層としての導電体層に電子を閉じ込めることにより、実質的にその導電体層に隣接する窒化物系半導体の電子に対するポテンシャルを高くし、チャネルを空乏化する。これにより、ゲート電圧がゼロの時、チャネルに電流を流れないようにするノーマリオフ動作が達成される。

また、前記第三の層は、不純物の導入により、ボロンＢ⁻やリンＰ⁻などのイオンを注入して低抵抗化したポリシリコンが用いられてもよい。ここで、ポリシリコンに導入する不純物量を多くすればより低抵抗なポリシリコンが得られる。
これにより、Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴを用いた不揮発性メモリと同様に、温度への信頼性が高くなるとともに、ポリシリコンに蓄積された電荷がリーク電流により失われる確率が減少する。

前記第三の層は、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｂ等から選択された高融点金属又はこれらの金属を主成分とする合金材料もしくはこれらの化合物材料で形成してもよい。
これにより、高温のアニール温度、動作温度への耐性が高まり、信頼性が向上する。また、化学エッチング等による加工が容易になる。

また、好ましくは、前記第三の層を覆う絶縁体層が誘電体層からなる。また、誘電体層は窒化Ｓｉ膜やＡｌ_２Ｏ_３膜、または酸化Ｓｉ（ＳｉＯ_２）膜の２種類の異なる誘電体層より成るようにしてもよい。
例えば、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ系ＨＦＥＴの場合、ＡｌＧａＮに接する絶縁体層には窒化Ｓｉ膜、Ａｌ_２Ｏ_３膜等のＡｌＧａＮと原子を共有する絶縁体層を用いることによりＡｌＧａＮとの界面準位が少なくなり、電流コラプスを抑制することが可能になり、また、負の電荷を有する第三の層と制御ゲート電極との間の絶縁体層には酸化Ｓｉ（ＳｉＯ_２）膜等のバンドギャップが広く、絶縁性の高い絶縁体層を用い、第三の層に蓄積される電荷の減衰を抑制することが可能である。

また、前記第三の層が、負のイオンを含んだ絶縁体層であってもよい。
これにより、第三層としての絶縁体層に負のイオンを閉じ込めることにより、実質的に、絶縁体層に隣接する窒化物系半導体の電子に対するポテンシャルを高くし、チャネルを空乏化し、ノーマリオフ動作を達成することを可能にする。負のイオンの量を調節することにより、制御ゲート電極に多少の正の電荷が加わっても、チャネルに電流が流れないようにしきい値を制御し、ノーマリオフの窒化物系半導体ヘテロ接合電界効果トランジスタを得ることが可能になる。

前記負のイオンが塩素イオンＣｌ⁻またはフッ素イオンＦ⁻であることが望ましい。
塩素イオンＣｌ⁻、フッ素イオンＦ⁻は、臭素イオンＢｒ⁻とともにＶＩＩ族に属する最もイオン化しやすい元素である。塩素イオンＣｌ⁻は、その中で、Ｓｉと同じ周期に属し、Ｓｉよりわずかに大きな原子半径を有するので、窒化Ｓｉ膜、酸化Ｓｉ膜中でより安定に、かつ、適度な量存在することができる。

本発明によれば、ノーマリオフ動作を達成でき、十分なチャネル電流を得られ、かつ、しきい値電圧の制御が容易な窒化物系半導体ヘテロ接合電界効果トランジスタを提供することが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る窒化物系半導体電界効果トランジスタ１Ａの概略構成を示す断面図 第１の実施形態に係る窒化物系半導体電界効果トランジスタ１Ａの概略構成を示す断面図（ａ）、エネルギーバンド図（ｂ）、および、空間電荷を説明する図（ｃ） 第１の実施形態に係る窒化物系半導体電界効果トランジスタ１Ａのゲート絶縁膜へのマイナスイオンの注入量に応じたエネルギーバンドとキャリア濃度の説明図（モデルａ） 第１の実施形態に係る窒化物系半導体電界効果トランジスタ１Ａのゲート絶縁膜へのマイナスイオンの注入量に応じたエネルギーバンドとキャリア濃度の説明図（モデルｂ） 第１の実施形態に係る窒化物系半導体電界効果トランジスタ１Ａのゲート絶縁膜へのマイナスイオンの注入量に応じたエネルギーバンドとキャリア濃度の説明図（モデルｃ） 第１の実施形態に係る窒化物系半導体電界効果トランジスタ１Ａのゲート絶縁膜およびＡｌＧａＮ層１１中へのマイナスイオンを注入した場合のエネルギーバンドとキャリア濃度の説明図（モデルｄ） 第１の実施形態に係る窒化物系半導体電界効果トランジスタ１ＡのＡｌＧａＮ層１１中へのマイナスイオンを注入した場合のエネルギーバンドとキャリア濃度の説明図（モデルｅ） 第１の実施形態に係る窒化物系半導体電界効果トランジスタ１Ａのゲート電圧−ドレイン電流の関係を示す図 第１の実施形態に係る窒化物系半導体電界効果トランジスタ１Ａの二次元電子ガス濃度を示す図 本発明の第２の実施形態に係る窒化物系半導体電界効果トランジスタ１Ｂの概略構成を示す断面図（ａ）、エネルギーバンド図（ｂ）、および、空間電荷を示す図（ｃ）

以下、図面に基づいて本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る窒化物系半導体電界効果トランジスタ１Ａの概略構成を示す断面図である。

図１に示すように、第１の実施形態に係る窒化物系半導体電界効果トランジスタ１Ａ（以下ＡｌＧａＮ／ＧａＮ系ＨＦＥＴと呼ぶ）は、サファイア基板９と、サファイア基板９上に形成されたＧａＮ層１０と、ＧａＮ層１０上に形成されたＡｌＧａＮ層１１と、ソース電極（Ｓ）２１と、ドレイン電極（Ｄ）２２と、ソース電極２１およびドレイン電極２２との間の動作領域上に化学気相堆積法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）により堆積された酸化Ｓｉ（ＳｉＯ_２）からなるゲート酸化膜３１と、ゲート電極（Ｇ）３４で構成される。

このＡｌＧａＮ／ＧａＮ系ＨＦＥＴ（１Ａ）では、バンドギャップの広いＡｌＧａＮ層１１と、ＡｌＧａＮ層１１よりもバンドギャップの狭いＧａＮ層１０とのヘテロ接合界面が形成される。

本発明のＡｌＧａＮ／ＧａＮ系ＨＦＥＴ（１Ａ）では、ゲート酸化膜３１のゲート電極３４直下の領域中４０には、イオンの注入により、例えばフッ素イオンＦ⁻等の負のイオンが添加され、また、ＡｌＧａＮ層１１にも、例えばフッ素イオンＦ⁻等の負のイオンが添加される。

図２は、第１の実施形態に係るＡｌＧａＮ／ＧａＮ系ＨＦＥＴ（１Ａ）の概略構造を示す断面図（ａ）と、エネルギーバンド図（ｂ）、空間電荷を示す図（ｃ）である。同図は、ゲート酸化膜３１のみに負のイオンが添加されている場合を示している。
図２（ａ）に示すＡｌＧａＮ／ＧａＮ系ＨＦＥＴ（１Ａ）の概略構造を示す断面図は、図１の図と同様である。

図２（ｂ）および図２（ｃ）に示すように、ＧａＮ層１０とＡｌＧａＮ層１１のヘテロ接合により、ＡｌＧａＮ層１１中には、自発分極とピエゾ分極により、ゲート絶縁膜３１側には負の電荷５１が、ＧａＮ層１０側には正の電荷５２ができる。

ゲート絶縁膜３１には負の電荷４０が付与されており、ＡｌＧａＮ層１１中の正の電荷５２からの電気力線は全てゲート絶縁膜３１中の負の電荷４０に向かい、ＧａＮ層１０側に負の電荷が誘起されることはない。
ゲート絶縁膜３１の負の電荷４０がＡｌＧａＮ層１１中の正の電荷５２を補償して余りある十分な量ある場合には、ＧａＮ層１０中にも正の電荷５３が誘起される。この正の電荷５３は、イオン化した残留ドナーあるいはＧａＮ層１０中に誘起される正孔によってもたらされ、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ系ＨＦＥＴ（１Ａ）のしきい値電圧Ｖ_ｔｈを正の方向に移動させることが可能である。

図３、図４、図５、図６、図７は、ゲート絶縁膜３１およびＡｌＧａＮ層１１に添加する負のイオンの量により変化するエネルギーバンドおよびキャリア濃度のシミュレーション結果である。
このシミュレーションでは、図１に示すように、２μｍ厚のＧａＮ層１０上に２５ｎｍ厚のＡｌＧａＮ層１１を形成し、ゲート絶縁膜３１は、ゲート電極３４下では１０ｎｍ厚、ソース電極２１およびドレイン電極２２を覆う部分では５０ｎｍ厚のＡｌＧａＮ／ＧａＮ系ＨＦＥＴ（１Ａ）を使用した。

図３は、ゲート絶縁膜３１およびＡｌＧａＮ層１１への負のイオンの添加がない場合（以下、モデルａと呼ぶ）、図４は、ゲート絶縁膜３１にのみ負のイオンを−３×１０^１３ｃｍ^−２注入した場合（以下、モデルｂと呼ぶ）、図５は、ゲート絶縁膜３１にのみ負のイオンを−５×１０^１３ｃｍ^−２注入した場合（以下、モデルｃと呼ぶ）のエネルギーバンドおよびキャリア濃度のシミュレーション結果である。
以上のモデルａ、モデルｂ、モデルｃは、ゲート絶縁膜３１にのみ負のイオンを注入するものであり、本発明の第１の実施形態に係るＡｌＧａＮ／ＧａＮ系ＨＦＥＴ（１Ａ）のゲート絶縁膜３１およびＡｌＧａＮ層１１の両方に負のイオンを注入する場合（図６）との比較のために説明する。

図３に示すように、モデルａの場合、ゲート絶縁膜３１への負のイオンの注入はされず、ＡｌＧａＮ層１１の電子に対するゲート絶縁膜３１のポテンシャルが低く、ＡｌＧａＮ層１１／ＧａＮ層１０界面に多くの二次元電子ガスが生成される。ＡｌＧａＮ層１１／ＧａＮ層１０界面付近のキャリア濃度はほぼ１×１０^２０ｃｍ^−３である。

これに対して、図４に示すモデルｂの場合のように、ゲート絶縁膜３１に負のイオン（例えばフッ素イオンＦ⁻）を−３×１０^１３ｃｍ^−２注入した場合、ＡｌＧａＮ層１１の電子に対するゲート絶縁膜３１のポテンシャルが高くなり、ＧａＮ層１０中のチャネルに空乏層を生じ、ＡｌＧａＮ層１１／ＧａＮ層１０の界面付近のキャリア濃度は５×１０^１９ｃｍ^−３に減少する。これにより、しきい値電圧Ｖ_ｔｈが上昇すると考えられる。

さらに、図５に示すモデルｃの場合のように、ゲート絶縁膜３１に負のイオン（例えばＦ⁻）を−５×１０^１３ｃｍ^−２注入した場合、ＡｌＧａＮ層１１の電子に対するゲート絶縁膜３１のポテンシャルがさらに高くなり、ＧａＮ層１０中のチャネルに空乏層を生じ、ＡｌＧａＮ層１１／ＧａＮ層１０の界面付近のキャリア濃度は１×１０^１９ｃｍ^−３程度である。

図６は、本発明の第１の実施形態として、ゲート絶縁膜３１に負のイオン（例えばフッ素イオンＦ⁻）を−３×１０^１３ｃｍ^−２注入し、さらに、ＡｌＧａＮ層１１のゲート電極３４直下に負のイオン（例えばフッ素イオンＦ⁻）を−１×１０^１３ｃｍ^−２注入した場合（モデルｄ）のエネルギーバンドおよびキャリア濃度のシミュレーション結果である。
同図に示すように、ゲート絶縁膜３１のポテンシャルは図４に示したモデルｂの場合と同程度に高くなり、さらに、ＡｌＧａＮ層１１の負のイオンを注入した部分のポテンシャルも高くなる。

この場合、ゲート絶縁膜３１およびＡｌＧａＮ層１１中に負のイオン（負の電荷）が相当量注入されるために、ＡｌＧａＮ層１１中の正の電荷５２を補償したうえ、ＧａＮ層１０中にも正の電荷が誘起され、二次元電子ガスの量が大幅に減少する。ＧａＮ層１０中のキャリア濃度は、１×１０⁸ｃｍ^−３程度で、ＡｌＧａＮ層１１／ＧａＮ層１０の界面付近への集中はない。

図７は、本発明の第１の実施形態との比較のために、ＡｌＧａＮ層１１中にのみ負のイオン（例えばフッ素イオンＦ⁻）を−１×１０^１３ｃｍ^−２注入した場合（モデルｅ）のエネルギーバンドおよびキャリア濃度のシミュレーション結果を示している。
同図に示すように、ゲート絶縁膜３１のポテンシャルは図３に示したモデルａの場合と同様であり、ＡｌＧａＮ層１１の負のイオンを注入した部分のポテンシャルが高くなる。

この場合、モデルｄの場合よりも負のイオン（負の電荷）は少なく、二次元電子ガスの減少量はモデルｄよりも小さい。ＡｌＧａＮ層１１／ＧａＮ層１０の界面付近のキャリア濃度は１×１０^１９ｃｍ^−３程度である。

図８は、ゲート絶縁膜３１にもＡｌＧａＮ層１１にも負のイオンを注入しない場合（モデルａ）、ゲート絶縁膜３１にのみ負のイオンを−３×１０^１３ｃｍ^−２注入した場合（モデルｂ）、ゲート絶縁膜３１にのみ負のイオンを−５×１０^１３ｃｍ^−２注入した場合（モデルｃ）、ゲート絶縁膜３１に−３×１０^１３ｃｍ^−２、ＡｌＧａＮ層１１のゲート電極３４直下に−１×１０^１３ｃｍ^−２の負のイオンを注入した場合（モデルｄ）、ＡｌＧａＮ層１１のゲート電極３４直下にのみ−１×１０^１３ｃｍ^−２の負のイオンを注入した場合（モデルｅ）のＡｌＧａＮ／ＧａＮ系ＨＦＥＴ（１Ａ）のゲート電圧Ｖ_ｇとドレイン電流Ｉ_ｄの関係のシミュレーション結果である。ドレイン電圧Ｖ_ｄｓは１０Ｖとした。

図８に示すように、ゲート絶縁膜３１にもＡｌＧａＮ層１１にも負のイオンを注入しない場合（モデルａ）と比較して、ゲート絶縁膜３１にのみ負のイオンを−３×１０^１３ｃｍ^−２注入した場合（モデルｂ）はしきい値電圧Ｖ_ｔｈが約７．５Ｖ正の方向にシフトする。しかし、しきい値電圧Ｖ_ｔｈは負の値であり、ノーマリオフ動作は実現できない。
また、ゲート絶縁膜３１にのみ負のイオンを−５×１０^１３ｃｍ^−２注入した場合（モデルｃ）は、さらにしきい値電圧Ｖ_ｔｈは正の方向にシフトし、ほぼノーマリオフ動作が実現可能である。

以上のシミュレーション結果から、ゲート絶縁膜３１に注入する負のイオン量１×１０^１３ｃｍ^−２ごとにしきい値電圧Ｖ_ｔｈが約２．５Ｖ大きくなることが分かる。

一方、ゲート絶縁膜３１に−３×１０^１３ｃｍ^−２、ＡｌＧａＮ層１１のゲート電極３４直下に−１×１０^１３ｃｍ^−２の負のイオンを注入した場合（モデルｄ）、ゲート絶縁膜３１に−３×１０^１３ｃｍ^−２の負のイオンを注入した場合（ｂ）と比較して、しきい値電圧Ｖ_ｔｈが約７．５Ｖ正の方向に移動し、約５Ｖのしきい値電圧Ｖ_ｔｈが得られ、ノーマリオフ動作が実現できることが分かる。

また、ＡｌＧａＮ層１１のゲート電極３４直下にのみ−１×１０^１３ｃｍ^−２の負のイオンを注入した場合（モデルｅ）も、全く負のイオンを注入しない場合（モデルａ）と比較してしきい値電圧Ｖ_ｔｈが約７．５Ｖ正の方向にシフトすることから、ＡｌＧａＮ層１１のゲート電極３４直下に−１×１０^１３ｃｍ^−２の負のイオンを注入することでしきい値電圧Ｖ_ｔｈが約７．５Ｖ増加することが分かる。

また、ＡｌＧａＮ層１１のゲート電極３４直下に負のイオンを添加しても、ゲート電圧Ｖ_ｇ対ドレイン電流Ｉ_ｄの傾きは変わらず、大きなドレイン電流Ｉ_ｄが得られる。

以上のように、ゲート絶縁膜３１およびＡｌＧａＮ層１１のゲート電極３４直下に適切な量の負のイオンを注入することにより、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ系ＨＦＥＴ（１Ａ）のしきい値電圧Ｖ_ｇを十分に正の値に取ることが可能になり、ノーマリオフ動作を確実に実現でき、また、十分なチャネル電流を得ることが可能になる。

図９は、上述のモデルａ、モデルｂ、モデルｃ、モデルｄ、モデルｅの場合について、ＧａＮ層中に形成される二次元電子ガス濃度値のシミュレーション結果である。ＡｌＧａＮ層１１のゲート電極３４直下１０ｎｍの厚さの範囲に負のイオンを注入する場合の値である。
同図に示すように、ゲート絶縁膜３１中とＡｌＧａＮ層１１中の両方に負のイオンを注入するモデルｄの場合、ＧａＮ層１０中に形成される二次元電子ガス濃度が７桁近く少ない。
これによって、ゲート絶縁膜３１中とＡｌＧａＮ層１１中の両方に負のイオンを注入することで、二次元電子ガスが抑制されノーマリオフ動作が達成される。

以上に説明したモデルｄおよびモデルｅでは、ＡｌＧａＮ層１１中のゲート電極３４直下に負のイオンを注入するようにしたが、ゲート電極３４直下に限らず、ＡｌＧａＮ層１１中に注入するようにしてもよい。

図１０は、本発明の第２の実施形態に係るＡｌＧａＮ／ＧａＮ系ＨＦＥＴ（１Ｂ）の概略構成を示す断面図（ａ）と、エネルギーバンド図（ｂ）および空間電荷の説明図（ｃ）である。

ＡｌＧａＮ／ＧａＮ系ＨＦＥＴ（１Ｂ）は、サファイア基板９と、サファイア基板９上に形成されたＧａＮ層１０と、ＧａＮ層１０上に形成されたＡｌＧａＮ層１１と、ソース電極（Ｓ）２１と、ドレイン電極（Ｄ）２２と、ゲート電極（Ｇ）３４と、ソース電極２１およびドレイン電極２２との間の動作領域上に化学気相堆積法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）により堆積された酸化Ｓｉ（ＳｉＯ_２）からなるゲート酸化膜３１と、ゲート酸化膜３１上のゲート電極（Ｇ）３４の下方領域に設けられた浮遊ゲート層３３、浮遊ゲート層３３上にＣＶＤにより堆積された酸化Ｓｉ（ＳｉＯ_２）からなるゲート酸化膜３２で構成される。

浮遊ゲート層３３は、例えば、低抵抗のポリシリコンで形成される。また、浮遊ゲート層３３をＭｏの他、Ｔａ、Ｗ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｂ等から選択された高融点金属またはこれらの金属を主成分とする合金材料もしくはこれらの化合物材料で形成してもよい。
浮遊ゲート層３３は、ゲート電極３４と窒化物系半導体であるＡｌＧａＮ層１１との間に設けられた、負の電荷を有する第三の層である。浮遊ゲート層３３をゲート絶縁膜３１および３２で覆うことにより、浮遊ゲート層３２に電子が閉じ込められる。

浮遊ゲート層３３に予め電子ビーム等により適量の電子による負の電荷を付与し、さらに、ＡｌＧａＮ層１１に負のイオンを注入することにより、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ系ＨＦＥＴ（１Ｂ）のしきい値電圧Ｖ_ｔｈを必要な値に制御することが可能になる。ゲート電極３４は、ゲート絶縁膜３２上の浮遊ゲート層３３の上方領域に設けられる。

図１０（ｂ）のエネルギーバンド図、および、図１０（ｃ）の空間電荷の説明図に示すように、ＧａＮ層１０とＡｌＧａＮ層１１のヘテロ接合により、ＡｌＧａＮ層１１中には、自発分極とピエゾ分極により、ゲート絶縁膜３１側には負の電荷５１が、ＧａＮ層１０側には正の電荷５２ができる。

浮遊ゲート３３には負の電荷４０が付与されており、ＡｌＧａＮ層１１中の正の電荷５２からの電気力線は全てゲート絶縁膜３１中の負の電荷４０に向かい、ＧａＮ層１０側に負の電荷が誘起されることはない。
浮遊ゲート３３の負の電荷４０がＡｌＧａＮ層１１中の正の電荷５２を補償して余りある十分な量ある場合には、ＧａＮ層１０中にも正の電荷５３が誘起される。この正の電荷５３は、イオン化した残留ドナーあるいはＧａＮ層１０中に誘起される正孔によってもたらされ、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ系ＨＦＥＴ（１Ｂ）のしきい値電圧Ｖ_ｔｈを正の方向に移動させることが可能である。

第２の実施形態に係るＡｌＧａＮ／ＧａＮ系ＨＦＥＴ（１Ｂ）も、浮遊ゲート層３３およびＡｌＧａＮ層１１に負の電荷を付与することにより、第１の実施形態に係るＡｌＧａＮ／ＧａＮ系ＨＦＥＴ（１Ａ）の場合と同様に、しきい値電圧Ｖ_ｔｈを正の方向に移動させることが可能で、ノーマリオフ動作を可能にする。また、十分なチャネル電流を得ることが可能である。

尚、本発明は、前述した実施の形態に限定されるものではなく、種々の改変が可能であり、それらも、本発明の技術範囲に含まれる。

上記の各実施形態では、窒化物系半導体ヘテロ接合電界効果トランジスタの一例としてＡｌＧａＮ／ＧａＮ系ＨＦＥＴについて説明したが、本発明はこの構成に限定されない。たとえば、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等の窒化物系半導体のヘテロ接合界面をチャネルとし、ゲート電極３４側にバンドギャップの広い第１の窒化物系半導体を、サファイア基板９側に第１の窒化物系半導体よりもバンドギャップの狭い第２の窒化物系半導体をそれぞれ配した窒化物系半導体ＨＦＥＴに広く適用可能である。

また、ＡｌＧａＮ層１１上のゲート絶縁膜３１はＳｉＯ_２に限ることなく、ＡｌＧａＮ層１１との界面準位密度がヘテロ界面に誘起されるべき二次元電子ガス密度（通常約１０^１３ｃｍ^−２程度）より十分少なくなるよう（例えば１０^１１ｃｍ^−２以下）に制御されていれば、窒化Ｓｉ膜（ＳｉＮ_x）やＡｌ_２Ｏ_３膜等でもよい。
また、上記の各実施形態では、基板にサファイア基板９を使用したが、ＳｉＮ、ＧａＮ、Ｓｉ等の基板を用いてもよい。
また、上記の各実施形態において、サファイア基板９とＧａＮ層１０との間にＡｌＮ等のバッファ層を設けた構成の窒化物系半導体ヘテロ接合電界効果トランジスタにも本発明は適用可能である。

１Ａ、１Ｂ………ＡｌＧａＮ／ＧａＮ系ヘテロ接合電界効果トランジスタ（ＨＦＥＴ）
９………サファイア基板
１０………ＧａＮ層
１１………ＡｌＧａＮ層
２１………ソース電極（Ｓ）
２２………ドレイン電極（Ｄ）
３１………ゲート絶縁膜
３２………ゲート絶縁膜
３３………浮遊ゲート
３４………ゲート電極（Ｇ）
４０………絶縁膜中の負のイオン
４１………ＡｌＧａＮ層１１中の負のイオン

Claims (3)

1. ヘテロ接合界面をチャネルとする窒化物系半導体電界効果トランジスタにおいて、
   制御ゲート電極と窒化物系半導体の間に負のイオンを添加した絶縁体層からなる第三の層を有し、
   前記ヘテロ接合を形成する前記窒化物半導体中に負のイオンを含むことを特徴とする窒化物系半導体電界効果トランジスタ。
2. 前記負のイオンが塩素イオンＣｌ⁻またはフッ素イオンＦ⁻であることを特徴とする請求項１記載の窒化物系半導体電界効果トランジスタ。
3. 前記絶縁体層が窒化Ｓｉ膜であることを特徴とする請求項１記載の窒化物系半導体電界効果トランジスタ。

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