JP2007096203A - ２次元キャリアガス層を有する電界効果トランジスタ - Google Patents

Abstract

【課題】２次元電子ガス層を使用する電界効果トランジスタ（ＨＥＭＴ）においてノーマリオフ特性が要求されている。
【解決手段】電子走行層８とｎ型電子供給層９とを含む主半導体領域１の第１の主面１１上にソース電極３とドレイン電極４とゲート電極５とを設けると共にｎ型の有機半導体膜６を設ける。ノーマリオフ特性が得られるようにｎ型電子供給層９を薄く形成する。ｎ型の有機半導体膜６は、薄いｎ型電子供給層９に基づく２ＤＥＧ層１４の電子濃度の低下を補って、オン抵抗の低減を防ぐ働きを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、２次元キャリアガス層（例えば２次元電子ガス層）を電流チャネルとして使用する電界効果トランジスタに関する。

２次元電子ガス層即ち２ＤＥＧ層を電流チャネル即ち電流通路として使用した電界効果トランジスタは、一般にＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）として周知である。ＨＥＭＴは、例えば不純物が添加されていないＧａＮから成る電子走行層（チャネル層）と例えばｎ型ＡｌＧａＮから成る電子供給層とを有する。電子供給層の上には、ソース電極とドレイン電極とが配置され、これ等の間にショットキー電極から成るゲート電極が配置されている。電子供給層の厚み方向（垂直方向）の抵抗値は小さく、横方向（水平方向）の抵抗値は大きいので、ドレイン電極とソース電極との間の電流は電子走行層に生じる２ＤＥＧ層を通って流れる。２ＤＥＧ層は周知のように電子走行層と電子供給層とのヘテロ接合面のピエゾ分極と自発分極とに基づいて生じる。

ところで、一般的な構成のＨＥＭＴは、ノーマリオン（normally−on）の特性を有する。ノーマリオン特性のＨＥＭＴをオフ状態にするためには負電源が必要になる。また、ノーマリオン特性のＨＥＭＴを含む電気回路の電源投入時にＨＥＭＴに基づく短絡回路が形成されることを防ぐ手段が要求される場合がある。従って、ノーマリオン特性のＨＥＭＴの使い勝手は良くなかった。

そこで、ノーマリオフ（normally−off）特性のＨＥＭＴの製作が試みられている。しかし、オン抵抗即ちオン状態時のドレイン・ソース間の抵抗が小さく且つノーマリオフ特性を有しているＨＥＭＴを得ることが困難であった。

ＨＥＭＴのノーマリオフ特性は、例えば、ｎ型ＡｌＧａＮから成る電子供給層を薄く形成することによって得られる。ＡｌＧａＮから成る電子供給層が薄く形成された時には、電子供給層と電子走行層との間のヘテロ接合に基づくピエゾ分極による電界が弱くなる。この結果、２ＤＥＧ層の電子濃度が減少する。他方、電子供給層とここにショットキー接触しているゲート電極との間にビルトインポテンシャル（built−in potential）即ちバイアス電圧が無い状態での電位差が生じている。薄い電子供給層のために電子濃度が低下した２ＤＥＧ層に上記のビルトインポテンシャルに基づく電界が作用すると、ゲート電極の直下の２ＤＥＧ層が消失する。このため、ゲート電極にバイアス電圧を加えない状態においてドレイン・ソース間がオフ状態になる。

上述のように電子供給層を薄くすることによってノーマリオフのＨＥＭＴを提供することができる。しかし、電子供給層を薄くすると、ゲート電極の直下以外の２ＤＥＧ層においても電子濃度の低下が生じ、ドレイン・ソース間のオン抵抗が増大する。

ノーマリオフ特性が得られるように電子供給層を薄く形成した場合の別の問題として電流狭窄即ちコラプスの問題がある。このコラプスは、例えば特許文献１に開示されているように、ＨＥＭＴを交流回路で使用する時に、電子供給層の表面に負電荷が発生し、この負電荷に基づいて電子走行層を流れる最大ドレイン電流が直流動作時の最大ドレイン電流よりも低減する現象を言う。コラプスによる最大ドレイン電流の低下は、電子供給層の表面の負電荷に基づいて２ＤＥＧ層の電子濃度が相対的に減少するためと考えられる。電子供給層が薄い場合には、２ＤＥＧ層が電子供給層の表面の影響を受け易くなり、コラプス現象の影響が大きくなる。

オン抵抗の増大を抑制し且つコラプス現象の影響を抑制してノーマリオフ特性のＨＥＭＴを得る方法として次の２つが考えられる。
（１） 例えばＧａＮ電子走行層の上にノーマリオフを可能にする厚みを有する例えばｎ型ＡｌＧａＮから成る電子供給層をエピタキシャル成長で形成し、更にその上にアンドープのＡｌＧａＮから成るキャップ層（補助層）を設け、このキャップ層の上にゲート電極を設けるか、又はキャップ層を選択的に除去して電子供給層を露出させて電子供給層にゲート電極を設けること。
（２） 電子供給層を厚く形成し、電子供給層のゲート電極対応部分をエッチングで除去してノーマリオフを可能にする厚みを有する薄い部分を電子供給層に形成し、この薄い部分の上にゲート電極を設けること。

しかし、上記（１）の方法を採用すると、高温のエピタキシャル成長工程の増加によって電子走行層及び電子供給層を含む半導体領域の結晶性の劣化が生じ、ＨＥＭＴの特性が劣化する。また、電子供給層とキャップ層とを目標通りに形成することが困難であり、目標通りの特性を有するＨＥＭＴを得ることが困難であった。

上記（２）の方法を採用すると、電子供給層を選択的にエッチングする時に電子走行層及び電子供給層の半導体結晶にダメージが生じ、ＨＥＭＴの電気的特性が劣化する。また、電子供給層の選択的エッチングを容易且つ正確に達成することが困難であった。

なお、ＨＥＭＴにはノーマリオフ特性の有無とは別に、オン抵抗の低減等のＨＥＭＴの電気的特性の改善が要求されている。電子供給層を厚く形成すると、理論的にはピエゾ分極に基づいて生じた２ＤＥＧ層の電子濃度が大きくなる。しかし、厚い電子供給層を形成すると、必然的にこのためのエピタキシャル成長時間が長くなり、電子走行層の結晶性の劣化、及び電子供給層のｎ型不純物の電子走行層への拡散が生じ、ＨＥＭＴの電気的特性が劣化する。
また、ショットキー接触のゲート電極を有するＨＥＭＴに限らず、絶縁ゲート電極を有し且つ２ＤＥＧ層等の２次元キャリア層を有する別の電界効果トランジスタにおいても、オン抵抗の低減が要求されている。また、２ＤＥＧ層の代りに２次元キャリアガス層として２次元ホールガス層を使用する電界効果トランジスタにおいても、２ＤＥＧ層を使用する電界効果トランジスタと同様な問題がある。
特開２００４−２１４４７１号公報 特開平１−２９５４５９公報

従って、本発明で解決しようとする課題は、２次元キャリアガス層を使用した電界効果トランジスタにおいてオン抵抗を低減することが困難なことである。また、２次元キャリアガス層を使用した電界効果トランジスタを、ノーマリオフ特性を有するように容易に構成することが困難なことである。

上記課題を解決するための本発明は、
互いに対向している第１及び第２の主面と、第１導電型を有し且つ結晶構造を有している第１の半導体層と、２次元キャリアガスを生成するために前記第１の半導体層と異なる半導体材料から成り且つ前記第１の半導体層に隣接配置され且つ前記第１の主面に対して前記第１の半導体層よりも遠い位置に配置され且つ結晶構造を有している第２の半導体層とを備えた半導体領域と、
前記半導体領域の前記第１の主面上に形成されたソース電極及びドレイン電極と、
前記半導体領域の前記第１の主面における前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に配置されたゲート電極と、
前記半導体領域の前記第１の主面における前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の少なくとも一部の上に配置され且つ前記第１導電型を有している有機半導体膜と
を備えていることを特徴とする電界効果トランジスタに係わるものである。

なお、請求項２に示すように、前記ゲート電極は前記第１の半導体層にショットキー接触している電極であり、前記第１の半導体層は、前記電界効果トランジスタをノーマリオフで動作させることが可能な厚みを有していることが望ましい。
また、請求項３に示すように、前記第１導電型はｎ型であり、前記有機半導体膜はｎ型を示すフラーレン又は金属フタロシアニンから成ることが望ましい。
また、請求項４に示すように、前記半導体領域は、更に、前記第１の半導体層の上に配置されており且つ導電型不純物がドープされていない結晶半導体から成るキャップ層を有していることが望ましい。
また、請求項５に示すように、前記半導体領域は、更に、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との間に配置されており且つ導電型不純物がドープされていない結晶半導体から成り且つ前記第１の半導体層よりも薄く形成されているスペーサー層を有していることが望ましい。
また、請求項６に示すように、更に、前記半導体領域と前記有機半導体膜との間に絶縁膜を配置することができる。
また、請求項７に示すように、更に、前記第１導電型を有する前記有機半導体膜の上に配置され且つ前記第１導電型と反対の第２導電型を有している別の有機半導体膜を備えていることが望ましい。
また、請求項８に示すように、更に、前記第１の導電型を有する前記有機半導体膜と前記第２導電型を有する前記別の有機半導体膜との間に絶縁膜を配置することができる。
また、請求項９に示すように、更に、前記半導体領域の前記一方の主面上に配置され且つ前記ゲート電極又は前記ドレイン電極に接続された抵抗性フィールドプレートを有していることが望ましい。
また、請求項１０に示すように、更に、前記第１導電型を有する前記有機半導体膜の上に配置され且つ前記ゲート電極又は前記ドレイン電極に接続されたフィールドプレートを有していることが望ましい。
また、請求項１１に示すように、更に、前記第１導電型の前記有機半導体膜と前記半導体領域の前記第１の主面との間に絶縁膜を配置することができる。
また、請求項１２に示すように、更に、前記ゲート電極と前記半導体領域の前記第１の主面との間にゲート絶縁膜を配置することができる。

本発明は次の効果を有する。
（１） 本発明に従って結晶構造を有する第１の半導体層の上に形成された非晶質の有機半導体膜は、第１の半導体層と同一の第１導電型を有している。従って、第１導電型の有機半導体膜は、第１の半導体層と同様にキャリア（例えば電子）を第２の半導体層に供給するためのキャリア供給層（例えば電子供給層）として機能する。従って、結晶構造を有する第１の半導体層の厚みを従来と同一とし、この上に本発明に従う有機半導体膜を設けた場合には、第１の半導体層を従来よりも厚くしたと同様な効果を得ることができ、２次元キャリアガス層（例えば２ＤＥＧ層）のキャリア濃度が高くなり、電界効果トランジスタのオン抵抗が低減する。
（２） ノーマリオフ特性を得ることができるように第１の半導体層を薄くし、且つ本発明に従う第１の半導体層と同一導電型の有機半導体膜を形成した場合には、ノーマリオフ特性が得られるにも拘らず、オン抵抗を比較的低い値に保つことができる。即ち、オン抵抗が小さく且つノーマリオフ特性を有している電界効果トランジスタを提供することができる。
（３） 有機半導体膜を形成することによる結晶構造の半導体領域の特性劣化は、上記（１）（２）の従来方法に比べて少ない。従って、電気的特性の劣化を抑えてオン抵抗の低い電界効果トランジスタ又はノーマリオフ特性の電界効果トランジスタを提供することができる。
（４） 本発明の好ましい実施例に従って、第２導電型の有機半導体膜を設けると、コラプスを抑制することができる。

次に、本発明の実施形態を図１〜図１４を参照して説明する。

図１に示す２次元キャリアガス層を有する電界効果トランジスタとしてのＨＥＭＴは大別して主半導体領域１と、支持基板２と、ソース電極３と、ドレイン電極４と、ゲート電極５と、第１及び第２の有機半導体膜６，７とを有している。

主半導体領域１は、半導体基体又は半導体基板とも呼ぶことができるものであって、例えば単結晶シリコン半導体から成る支持基板２の上に周知のエピタキシャル成長方法（例えばＭＯＣＶＤ法）で順次に形成されたバッファ層８と、電子走行層９と、電子供給層１０とを有している。この主半導体領域１の第１の主面１１上にソース電極３、ドレイン電極４及びゲート電極５が配置され、第２の主面１２に支持基板２が結合されている。主半導体領域１の各層８，９，１０は第１及び第２の主面１１，１２に対して平行に延びている。
主半導体領域１の各層８，９，１０は、例えばＧａＮ，ＩｎＧａＮ，ＡｌＧａＮ，ＡｌＩｎＧａＮ，ＡｌＮ，ＩｎＡｌＮ，ＡｌＰ，ＧａＰ，ＡｌＩｎＰ，ＧａＩｎＰ，ＡｌＧａＰ，ＡｌＧａＡｓ，ＧａＡｓ，ＡｌＡｓ，ＩｎＡｓ，ＩｎＰ，ＩｎＮ，ＧａＡｓＰ，Ｓｉ，ＳｉＣ，Ｃ等の結晶構造を有する半導体材料で形成される。高耐圧のＨＥＭＴを得る場合には、主半導体領域１の各層８，９，１０を窒化物半導体で構成することが望ましい。次に、ＨＥＭＴの各部を更に詳しく説明する。

支持基板２上に形成されたバッファ層８は、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）から成る第１のサブレイヤーとＧａＮ（窒化ガリウム）から成る第２のサブレイヤーとが交互に積層された多層構造バッファである。このバッファ層８はＨＥＭＴの動作に直接に関係していないので、これを省くこともできる。また、バッファ層８の半導体材料をＡｌＮ，ＧａＮ以外のものに置き換えること、又は単層構造にすることもできる。

バッファ層８の上に形成された電子走行層９は、本発明における第２の半導体層として機能するものであって、チャネル層と呼ぶこともできるものである。この実施例の電子走行層９は不純物が添加されていないアンドープＧａＮ（窒化ガリウム）から成り、例えば１〜３μｍの厚さを有する。この電子走行層９はこの上の電子供給層１０よりも主半導体領域１の第１の主面１１から遠い位置に配置されている。

本発明における第１の半導体層としての電子供給層１０は、電子走行層９の上に配置され、次式で示される窒化物半導体にｎ型（第１導電型）の不純物を添加したものから成る。
Ａｌ_xＧａ_1-xＮ，
ここで、ｘは０＜ｘ＜１を満足する数値であり、好ましくは０．２〜０．４であり、より好ましくは０．３である。
電子供給層１０は、比較的薄く形成されているので、主半導体領域１の第１の主面１１に垂直方向の抵抗は無視できる程小さく、第１の主面１１に平行な方向（横方向）の抵抗は垂直方向よりも大きい。従って、ドレイン・ソース間電流の電子供給層１０を横方向に流れる成分を無視することができる。

ｎ型ＡｌＧａＮから成る電子供給層１０はこの下のＧａＮから成る電子走行層９よりも小さい格子定数を有する。従って、電子供給層１０と電子走行層９とのヘテロ接合１３に基づいて周知のピエゾ分極が生じる。また、ｎ型不純物を含む電子供給層１０に基づいて自発分極が生じる。上記ピエゾ分極及び自発電極の電界に基づいて電子走行層９の上部に点線で示す周知の２ＤＥＧ層１４が生じる。なお、図１にはゲート電極５に対してＨＥＭＴをオン状態にする電圧が印加されている時の２ＤＥＧ層１４が示されている。２ＤＥＧ層１４は、本発明の２次元キャリアガス層に相当するものであって、主半導体領域１の第１の主面１１に対して平行な方向に自由度を有する電子（キャリア）を含み、電流通路として機能する。

この実施例では、電子供給層１０の厚みTが、ノーマリオフ特性を得ることができる値（例えば３〜１０ｎｍ、より好ましくは３〜５ｎｍ）に決定されている。背景技術の欄で既に説明したように、電子供給層１０を薄く形成すると、２ＤＥＧ層１４の電子濃度が低下する。また、ゲート電極５と電子供給層１０との間のビルトインポテンシャルがゲート電極５の直下に作用する。これにより、ゲート電極５の直下から２ＤＥＧ層１４が消失し、ノーマリオフ特性が得られる。

もし、ノーマリオフ特性を得るように単に電子供給層１０を薄く形成したのみであれば、ゲート電極５の直下以外の２ＤＥＧ層１４においても電子濃度の低下が生じる。この結果、ゲート電極５にバイアス電圧を印加してＨＥＭＴをオン状態にした時のオン抵抗（ドレイン・ソース間抵抗）が大きくなる。しかし、本実施例のＨＥＭＴはｎ型の第１の有機半導体膜６を有するので、オン抵抗の増大が抑制されている。

本実施例では、第１の有機半導体膜６が主半導体領域１の第１の主面１１のソース電極３とゲート電極５との間、ドレイン電極４とゲート電極５との間、ソース電極３よりも外側部分、及びドレイン電極４よりも外側部分を覆っている。しかし、主半導体領域１の第１の主面１１のソース電極３とドレイン電極４との間の一部のみを覆うように第１の有機半導体膜６を形成することもできる。なお、第１の有機半導体膜６のソース電極３よりも外側部分、及びドレイン電極４よりも外側部分は、オン抵抗の低減には実質的に寄与しないが、主半導体領域１の第１の主面１１の保護には寄与する。
第１の有機半導体膜６は、結晶構造を有するｎ型窒化物半導体から成る電子供給層１０と同一の導電型（ｎ型）を有する非晶質半導体であり、例えばフラーレン（Fullerene）又はフラーレン誘導体（好ましくはＣ６０又はＣ７０）、又はＣｕ等を含む金属フタロシアニン等で形成される。このｎ型の第１の有機半導体膜６は、例えば周知の蒸着、スパッタリング、スピンオン（塗布）、ゾルゲル法等で形成される。好ましくは、第１の有機半導体膜６はＣｕフタロシアニンのスピンオン法又は蒸着によって約２００ｎｍの厚さに形成される。

第１の有機半導体膜６は、電子供給層１０と同一のｎ型を有し、且つ電子供給層１０を覆うように配置されているので、電子供給層６と同様な機能を発揮する。従って、第１の有機半導体膜６を補助電子供給層と呼ぶこともできる。

次に、図２を参照して第１の有機半導体膜６の機能を説明する。もし、電子供給層１０がノーマリオフ特性を得ることができない厚みを有しており、且つ第１の有機半導体膜６が設けられていないＨＥＭＴを作り、このＨＥＭＴのゲート・ソース間電圧Ｖgsとドレイン電流Ｉｄとの関係を求めると、図２の点線で示す特性線Ｂが得られ、ゲート・ソース間電圧Ｖgsが零の時にドレイン電流Ｉｄが流れる。このノーマリオン特性を有するＨＥＭＴをオフにするためには、ゲート・ソース間にーVgs2の電圧を印加しなければならない。もし、電子供給層１０がノーマリオフ特性を得ることができる厚みを有し且つ第1の有機半導体膜6が設けられていないHEMTを作り、このHEMTのゲート・ソース間電圧Vgsとドレイン電流Idとの関係を求めると、図２で鎖線で示す特性Cが得られ、ゲート・ソース間電圧Vgsが零の時にはドレイン電流Idが実質的に流れず、ゲート・ソース電圧＋Vgs1以上を印加した時にドレイン電流Idが流れる。しかし、このように単に電子供給層１０を薄くしたのみの場合には、ノーマリオフ特性が得られても、２DEG 層１４の電子濃度低下に基づいて、オン抵抗が増大し、特性線Cのドレイン電流Id の飽和値が特性線Bに比べて小さくなる。

これに対し、本発明に従う第1の有機半導体膜6を有するHEMTのゲート・ソース間電圧Vgsとドレイン電流Id との関係は、図2で実線で示す特性線A になる。この本発明に従う特性線Aは、特性線Cと同様にノーマリオフ特性を有していると共に、特性線Bと同様なドレイン電流Idの大きな飽和値を有する。

第1の有機半導体膜6を例えばスピンオン（塗布）で形成する時の最高の処理温度は、結晶構造を有する窒化物半導体から成る主半導体領域1をMOCVD方法（有機金属化学成長法）で形成する時の最高温度（例えば、１１２０℃）よりも低い（例えば、３００℃）である。従って、第１の有機半導体膜６を形成することによる主半導体領域１の結晶の劣化がほとんど生じない。

図１においてｐ型の第２の有機半導体膜７は第１の有機半導体膜６の上に配置されている。この第２の有機半導体膜７は、ｎ型の電子供給層１０と反対のｐ型（第２導電型）を有する。このｐ型の第２の有機半導体膜７は、無機半導体又は結晶半導体から成る主半導体領域１とは別の非晶質構造を有するものであって、例えば、ペンタセン（pentacene）誘導体又はテトラセン（tethracene）誘導体又はアントラセン（anthracene）誘導体等から成るアセン（acene）、ペリレン（perylene）、ルブレン（rubrene）、フタロシアニン（phthalocyanine）、Ｚｎフタロシアニン（Ｚｎ−phthalocyanine）、又はオリゴチオフェン（oligothiophene）等から成る。

第２の有機半導体膜７は、例えばｎ型ＡｌＧａＮから成る電子供給層１０の表面に周知の蒸着、スパッタリング、スピンオン、又はゾルゲル法によって形成される。図１の実施例１の第２の有機半導体膜７は、電子供給層１０上にＺｎフタロシアニンから成るｐ型有機半導体材料を蒸着法で形成したものであり、約４０ｎｍの厚さを有する。また、図１の第２の有機半導体膜７は、主半導体領域１の第１の主面１１のドレイン電極４とゲート電極５との間の全部、ソース電極３とゲート電極５との間の全部、ソース電極３よりも外側部分及びドレイン電極４よりも外側部分に形成されている。第２の有機半導体膜７のソース電極３よりも外側部分及びドレイン電極４よりも外側部分はコラプス改善に実質的に寄与しないが、主半導体領域１の第１の主面１１の保護に寄与する。

もし、コラプス改善のためのｐ型の第２の有機半導体膜７が設けられていない場合において、ＨＥＭＴに交流電圧の負の半サイクルが印加されてドレイン電極４の電位がソース電極３の電位に対して負になると、ｎ型の第１の有機半導体膜６の表面に負電荷が帯電する。この結果として２ＤＥＧ層１４の電子濃度が低減し、ＨＥＭＴがオン状態の時の最大ドレイン電流が低減する。これに対し、図１に示すようにｐ型の第２の有機半導体膜７が設けられた時には、ｐ型の第２の有機半導体膜７に基づく電界の作用によって第１の有機半導体膜６の表面の負電荷が低減される。換言すれば、ｐ型の第２の有機半導体膜７から第１の有機半導体膜６に正孔（ホール）が供給され、この正孔によって第１の有機半導体膜６の表面の負電荷が相殺即ち消滅される。
ｐ型の第２の有機半導体膜７によるコラプス改善を更に別の観点で説明すると、ｐ型の第２の有機半導体膜７とｎ型の第１の有機半導体膜６とｎ型ＡｌＧａＮから成る電子供給層１０と２ＤＥＧ層１４とを１つのコンデンサと考えることができる。この場合には、ｎ型の電子供給層１０とｎ型の第１の有機半導体膜６がコンデンサの誘電体層として機能し、ｐ型の第２の有機半導体膜７がコンデンサの正電極として機能し、２ＤＥＧ層１４がコンデンサの負電極として機能する。誘電体層としての第１の有機半導体膜６の主面がｐ型の第２の有機半導体膜７によって正電位に固定されると、電子供給層６のヘテロ接合面１３の負電荷の安定化が図られる。この結果、コラプス現象に基づく２ＤＥＧ層１４の電子濃度の低減が小さくなる。

ｐ型の第２の有機半導体膜７に基づく第１の有機半導体膜６の主面の負電荷の低減作用は、従来の主半導体領域１の表面の終端処理による帯電荷の低減作用と異なっている。即ち、主半導体領域１の表面には、半導体を構成する原子間の結合の遮断に基づく未結合子（ダングリングボンド）が生じ、この未結合子が帯電に関与する。そこで、一般には未結合子に基づく帯電と防ぐための処理即ち終端処理が主半導体領域１に対して施される。この従来の終端処理は間接的な帯電防止であるのに対し、ｐ型の第２の有機半導体膜７による負電荷の帯電防止は、正孔と負電荷との結合に基づくものであるので、直接的な帯電防止である。

ｎ型の第１の有機半導体膜６及びｐ型の第２の有機半導体膜７は、３−５族化合物半導体から成る電子供給層１０のキャリア（電子）移動度よりも十分に小さいキャリア移動度（最大でも１．５ｃｍ²／Ｖ．s）を有している。従って、第１及び第２の有機半導体膜６、７は実質的に絶縁膜であり、ドレイン電極４とゲート電極５との間及びソース電極３とゲート電極５との間の第１及び第２の有機半導体膜６、７を通る電流は無視できる程微小である。従って、第１及び第２の有機半導体膜６、７はオン抵抗改善及びコラプス改善の機能の他に主半導体領域１の表面の保護膜としての機能も有する。

ソース電極３は主半導体領域１の第１の主面１１上に配置されている。ドレイン電極４は、ソース電極３に対して所定の間隔を有して主半導体領域１の第１の主面１１上に配置されている。ソース電極３及びドレイン電極４のそれぞれは、例えばチタン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａｌ）との積層電極から成り、電子供給層１０に低抵抗性接触している。

ゲート電極５は、主半導体領域１の第１の主面１１上のソース電極３とドレイン電極４との間に配置され、例えばロジウム（Ｒｈ）から成り、電子供給層１０にショットキ接触している。

図１の実施例１のHEMT は次の効果を有する。
（１） 比較的薄い電子供給層１０によってノーマリオフ特性のHEMTが得られる。また、ｎ型の第１の有機半導体膜６が電子供給層１０を厚くしたと等価な作用を有するので、２DEG層１４における電子濃度が比較的高くなり、オン抵抗の小さい即ち伝導度の高いHEMTを提供することができる。従って、ノーマリオフ特性を有しているにも拘わらずオン抵抗が小さいHEMTを得ることができる。なお、第１の有機半導体膜６はゲート電極５の下に配置されていないので、ノーマリオフ動作を妨害しない。
（２） ｎ型の第１の有機半導体膜６は、主半導体領域１を形成する時の温度よりも低い温度で形成されるので、結晶構造を有する電子供給層１０を厚く形成する場合、又は電子供給層１０を複数の層の積ね合せで構成する場合に比べて主半導体領域１の半導体結晶の劣化又は不要な不純物拡散を防ぐことができ、特性の良いHEMTを提供できる。
（３） ノーマリオフ特性を得るために従来の厚い電子供給層に凹部を作り、この凹部の中にゲート電極を形成する方法に比べて、本実施例は電子供給層に凹部を形成する工程を含まないので、主半導体領域１のダメージが少ない。従って、ノーマリオフ特性のHEMTの製造が容易であるのみでなく特性を良好に維持することができる。
（４） ｐ型の第２の有機半導体膜７の働きによってコラプスを改善することができる。
（５） 主半導体領域１は窒化物半導体から成るので高耐圧のHEMTを提供できる。

次に、図３に示す実施例２のＨＥＭＴを説明する。但し、図３及び後述する図３〜図１４において図１と実質的に同一の部分には同一の符号を付してその説明を省略する。

図３のＨＥＭＴは、第１及び第２の有機半導体膜６、７の配置位置を主半導体領域１の第１の主面１１におけるドレイン電極４とゲート電極５との間のみに変え、この他は図１と同一に構成したものである。図３に示すように第１及び第２の有機半導体膜６、７を限定的に設けても、第１及び第２の有機半導体膜６、７に対向する部分の２ＤＥＧ層１４における電子濃度の低減を抑制することができ、実施例１と同様に第１の有機半導体膜６によるオン抵抗の低減効果、及び第２の有機半導体膜７によるコラプス改善効果を得ることができる。
なお、図３において破線で示すように、主半導体領域１の第１の主面１１の第１の有機半導体膜６が設けられない部分の一部又は全部に第２の有機半導体膜７を配置し、コラプス改善効果を高めることができる。

図４に示す実施例３のＨＥＭＴは、第１及び第２の有機半導体膜６、７を主半導体領域１の第１の主面１１におけるドレイン電極４とゲート電極５との間の全部に設けないで、ドレイン電極４側のみに設け、ゲート電極５と第１及び第２の有機半導体膜６、７との間に隙間を設けた他は図３と同一に形成したものである。この図４に示す実施例３によっても図３の実施例２と同様な効果を得ることができる。
なお、図４において破線で示すように、主半導体領域１の第１の主面１１の第１の有機半導体膜６が設けられない部分の一部又は全部に第２の有機半導体膜７を配置し、コラプス改善効果を高めることができる。

図５に示す実施例４のＨＥＭＴは、第１及び第２の有機半導体膜６、７をドレイン電極４とゲート電極５との間の全部に設けないで、ゲート電極５側のみに設け、ドレイン電極４と第１及び第２の有機半導体膜６、７との間に隙間を設けた他は、図３と同一に形成したものである。この図５の実施例４によっても図３の実施例２と同様な効果を得ることができる。
なお、図５において破線で示すように、主半導体領域１の第１の主面１１の第１の有機半導体膜６が設けられない部分の一部又は全部に第２の有機半導体膜７を配置し、コラプス改善効果を高めることができる。

図６に示す実施例５のＨＥＭＴは、第１及び第２の有機半導体膜６、７をドレイン電極４とゲート電極５との間の全部に設けないで、両者の中間領域のみに設け、この他は図３と同一に形成したものである。この図５の実施例５によっても図３の実施例２と同様な効果を得ることができる。
なお、図６において破線で示すように、主半導体領域１の第１の主面１１の第１の有機半導体膜６が設けられない部分の一部又は全部に第２の有機半導体膜７を配置し、コラプス改善効果を高めることができる。

図７の実施例６のＨＥＭＴは変形された主半導体領域１ａを設けた他は図１と同一に形成したものである。図７の変形された主半導体領域１ａは図１の主半導体領域１に例えば導電型不純物が添加されていないアンドープＡｌＧａＮから成るキャップ層２１とアンドープＡｌＧａＮから成るスペーサー層２２を追加したものである。

図７のキャップ層２１は、電子供給層１０の上に配置され、例えば２〜５ｎｍの厚さを有している。ソース電極３及びドレイン電極４はキャップ層２１に低抵抗接触し、ゲート電極５はキャップ層２１にショットキー接触している。このキャップ層２１は、ゲート電極５と主半導体領域１ａとの間のショットキーバリアを高める効果を有する。

図７のスペーサー層２２は電子走行層９と電子供給層１０との間に配置され、例えば２〜５ｎｍの厚さを有している。このスペーサー層２２は電子供給層１０の不純物が電子走行層９に拡散することを防ぐ効果を有する。

この図７のＨＥＭＴによっても図１のＨＥＭＴと同様な効果を得ることができる。
なお、図７のキャップ層２１とスペーサー層２２といずれか一方又は両方を図３〜図６の実施例２〜５，及び後述する図８〜図１４の実施例７〜１３のＨＥＭＴにも設けることができる。また、図７において、キャップ層２１とスペーサー層２２といずれか一方を省き、残りの他方のみを設けることができる。

図８の実施例７のＨＥＭＴは、図１の実施例１のＨＥＭＴに固体絶縁材料即ち誘電体から成る絶縁膜１５を付加し、この他は図１と実質的に同一に形成したものである。

絶縁膜１５は、第１の有機半導体膜６と第２の有機半導体膜７との間に配置されている。この絶縁膜１５は例えばＳｉＯ２（シリコン酸化物）で形成され、主半導体領域１及び第１の有機半導体膜６を保護する機能を有する。

絶縁膜１５は誘電体から成るので、絶縁膜１５と第１の有機半導体膜６と電子供給層９とが等価的にコンデンサの誘電体部分として機能し、図１の実施例１と同一の原理でコラプス改善効果を得ることができる。

図８では第１及び第２の有機半導体膜６、７と絶縁膜１５とがソース電極３とドレイン電極４との間、ソース電極３の外側、ドレイン電極４の外側に配置されているが、これ等を図３〜図６に示すようにドレイン電極４とゲート電極５との間の限定された部分に配置することもできる。また、第１の有機半導体膜６を図３〜図６に示すように限定して設ける場合において、主半導体領域１の第１の主面１１における第１の有機半導体膜６が設けられない部分の一部又は全部に絶縁膜１５又は第２の有機半導体膜７又はこれ等の両方を配置することができる。

図９の実施例８のＨＥＭＴは図１の実施例１のＨＥＭＴに抵抗性ショットキバリア型フィールドプレート１６を付加し、この他は図１と実質的に同一に形成したものである。

抵抗性ショットキバリア型フィールドプレート１６は、第１の有機半導体膜６と主半導体領域１の第１の主面１１との間に配置され且つゲート電極５に接続され且つドレイン電極４とゲート電極５との間の一部に限定的に配置されている。即ち、抵抗性ショットキバリア型フィールドプレート１６は、主半導体領域１の第１の主面１１にショットキ接触し且つゲート電極５に接続されている。この抵抗性ショットキバリア型フィールドプレート１４は、特許文献２（特開平１−２９５４５９号公報）に開示されているものと同一であって、例えば１０ｋΩ／□以上のシート抵抗を有するチタン酸化物から成る。

抵抗性ショットキバリア型フィールドプレート１６は、特許文献２と同様にショットキバリア電極から成るゲート電極５の耐圧向上に寄与する。即ち、ドレイン電極４とゲート電極５との間に電界集中箇所が生じることを抵抗性ショットキバリア型フィールドプレート１６によって防ぐことができる。従って、図９の実施例によれば、ドレイン電極４とゲート電極５との間の耐圧が高くなる。なお、図９の実施例８によっても第１の有機半導体膜６によるオン抵抗の改善効果、及び第２の有機半導体膜７によるコラプス改善効果を、図１の実施例１と同様に得ることができる。

図９においても第１及び第２の有機半導体膜６、７を図３〜図６に示すように限定的に配置することができる。また、図９の第１の有機半導体膜６を図３〜図６に示すように限定して設ける場合において、主半導体領域１の第１の主面１１における第１の有機半導体膜６が設けられない部分の一部又は全部に第２の有機半導体膜７又は絶縁膜又はこれ等の両方を配置することができる。

図１０に示す実施例９のＨＥＭＴは、図９の抵抗性ショットキバリア型フィールドプレート１６の位置を変更した他は図９と同一に形成したものである。

図１０の抵抗性ショットキバリア型フィールドプレート１６はドレイン電極４に接続され、ドレイン電極４からゲート電極５に向って延びている。抵抗性ショットキバリア型フィールドプレート１６を図１０に示すように形成しても、ドレイン電極４とゲート電極５との間の電界集中を緩和することができる。なお、図１０の実施例９によっても、第１の有機半導体膜６によるオン抵抗の改善効果、及び第２の有機半導体膜７によるコラプス改善効果を、図１の実施例１と同様に得ることができる。

図１０においても第１及び第２の有機半導体膜６、７を図３〜図６に示すように限定的に配置することができる。また、図１０の第１の有機半導体膜６を図３〜図６に示すように限定して設ける場合において、主半導体領域１の第１の主面１１における第１の有機半導体膜６が設けられない部分の一部又は全部に第２の有機半導体膜７又は絶縁膜又はこれ等の両方を配置することができる。

図１１の実施例１０のＨＥＭＴは、図８のＨＥＭＴに抵抗性フィールドプレート１６ａを付加し、この他は図８と同様に構成したものである。図１１の抵抗性フィールドプレート１６ａは、第１の有機半導体膜６と絶縁膜１５との間に配置され且つゲート電極５に接続され且つドレイン電極４とゲート電極５との間の一部に限定的に配置されている。即ち、抵抗性フィールドプレート１６ａは、例えば１０ｋΩ／□以上のシート抵抗を有するチタン酸化物から成り、第１の有機半導体膜６に抵抗性接触又はショットキー接触し、ゲート電極５の耐圧向上に寄与する。なお、図１１に示す実施例１０によっても、第１の有機半導体膜６によるオン抵抗の改善効果、及び第２の有機半導体膜７によるコラプス改善効果を図１の実施例１と同様に得ることができる。

図１１においても第１及び第２の有機半導体膜６、７を図３〜図６に示すように限定的に配置することができる。また、図１１の第１の有機半導体膜６を図３〜図６に示すように限定して設ける場合において、主半導体領域１の第１の主面１１における第１の有機半導体膜６が設けられない部分の一部又は全部に第２の有機半導体膜７又は絶縁膜１５又はこれ等の両方を配置することができる。

図１２に示す実施例１１のＨＥＭＴは、図１１の抵抗性フィールドプレート１６ａの位置を変更した他は図１１と同一に形成したものである。

図１２の抵抗性フィールドプレート１６ａはドレイン電極４に接続され、ドレイン電極４からゲート電極５に向って延びている。抵抗性フィールドプレート１６ａを図１２に示すように形成しても、ドレイン電極４とゲート電極５との間の電界集中を緩和することができる。なお、図１２に示す実施例１１によっても、第１の有機半導体膜６によるオン抵抗の改善効果、及び第２の有機半導体膜７によるコラプス改善効果を図１の実施例１と同様に得ることができる。

図１２においても第１及び第２の有機半導体膜６、７を図３〜図６に示すように限定的に配置することができる。また、図１１の第１の有機半導体膜６を図３〜図６に示すように限定して設ける場合において、主半導体領域１の第１の主面１１における第１の有機半導体膜６が設けられない部分の一部又は全部に第２の有機半導体膜７又は絶縁膜１５又はこれ等の両方を配置することができる。

図１３に示す実施例１２のＨＥＭＴは、図８の絶縁膜１５の位置を変更した他は図８と同一に形成したものである。図１３では薄い絶縁膜１５が第１の有機半導体膜６と主半導体領域１との間に配置されている。絶縁膜１５が薄い場合には、ｎ型の第１の有機半導体膜６の作用が絶縁膜１５を介して電子供給層１０及び２ＤＥＧ層１４に及ぶ。この結果、図１３に示す実施例１２によっても実施例１と同様な効果を得ることができる。
なお、図１３においても第１及び第２の有機半導体膜６、７を図３〜図６に示すように限定的に配置することができる。また、図１３の第１の有機半導体膜６を図３〜図６に示すように限定して設ける場合において、主半導体領域１の第１の主面１１における第１の有機半導体膜６が設けられない部分の一部又は全部に第２の有機半導体膜７又は絶縁膜１５又はこれ等の両方を配置することができる。

図１４に示す実施例１３のＨＥＭＴは、図１のゲート電極５の下にゲート絶縁膜１７を設けた他は図１と同一に形成したものである。図１４に示す実施例１３のＨＥＭＴにおいては、ゲート電極５とソース電極３との間に印加されるゲート制御電圧によってゲート絶縁膜１７の下の空乏層が変化し、２ＤＥＧ層１４を流れる電流が制御される。
図１４に示す実施例１３によっても、第１の有機半導体膜６によるオン抵抗の改善効果、及び第２の有機半導体膜７によるコラプス改善効果を図１の実施例１と同様に得ることができる。
なお、図１４においても第１及び第２の有機半導体膜６、７を図３〜図６に示すように限定的に配置することができる。また、図１３の第１の有機半導体膜６を図３〜図６に示すように限定して設ける場合において、主半導体領域１の第１の主面１１における第１の有機半導体膜６が設けられない部分の一部又は全部に第２の有機半導体膜７又は絶縁膜又はこれ等の両方を配置することができる。

本発明は上述の実施例に限定されるものでなく、例えば次の変形も可能なものである。
（１） 図１，及び図３〜図１４の電子供給層１０をｐ型半導体の正孔供給層に置き換えることができる。この場合には、２ＤＥＧ層１１に対応する領域に２次元キャリアガス層として２次元正孔ガス層が生じる。この様に２次元キャリアを正孔とする場合には、第１の有機半導体膜６をｐ型に変更し、第２の有機半導体膜７をｎ型に変更する。
（２） 主半導体領域１、１ａに必要に応じて更に別の半導体層を付加することができる。例えば、ソース電極３の下にソースコンタクト層を配置し、ドレイン電極４の下にドレインコンタクト層を配置することができる。また、ソース電極３及びドレイン電極４を電子走行層８に直接的に接続することもできる。
（３） 図９及び図１０の抵抗性ショットキバリア型フィールドプレート１４、並びに図１１及び図１２の抵抗性フィールドプレート１４ａを主半導体領域１の第１の主面１１上におけるゲート電極５とソース電極３との間にも設けることができる。
（４） 支持基板２をシリコン以外のシリコン化合物、又はサファイア、又は３−５族化合物半導体で形成することができる。

本発明の実施例１のＨＥＭＴを示す断面図である。 図１の実施例１のＨＥＭＴ及び従来例のＨＥＭＴのゲート・ソース間電圧とドレイン電流との関係を示す特性図である。 本発明の実施例２のＨＥＭＴを示す断面図である。 本発明の実施例３のＨＥＭＴを示す断面図である。 本発明の実施例４のＨＥＭＴを示す断面図である。 本発明の実施例５のＨＥＭＴを示す断面図である。 本発明の実施例６のＨＥＭＴを示す断面図である。 本発明の実施例７のＨＥＭＴを示す断面図である。 本発明の実施例８のＨＥＭＴを示す断面図である。 本発明の実施例９のＨＥＭＴを示す断面図である。 本発明の実施例１０のＨＥＭＴを示す断面図である。 本発明の実施例１１のＨＥＭＴを示す断面図である。 本発明の実施例１２のＨＥＭＴを示す断面図である。 本発明の実施例１３のＨＥＭＴを示す断面図である。

符号の説明

１、１ａ 主半導体領域
２ 支持基板
３ ソース電極
４ ドレイン電極
５ ゲート電極
６ ｎ型の第１の有機半導体膜
７ ｐ型の第２の有機半導体膜
８ バッファ層
９ 電子走行層
１０ ｎ型の電子供給層
１３ ヘテロ接合
１４ ２ＤＥＧ層

Claims (12)

1. 互いに対向している第１及び第２の主面と、第１導電型を有し且つ結晶構造を有している第１の半導体層と、２次元キャリアガスを生成するために前記第１の半導体層と異なる半導体材料から成り且つ前記第１の半導体層に隣接配置され且つ前記第１の主面に対して前記第１の半導体層よりも遠い位置に配置され且つ結晶構造を有している第２の半導体層とを備えた半導体領域と、
   前記半導体領域の前記第１の主面上に形成されたソース電極及びドレイン電極と、
   前記半導体領域の前記第１の主面における前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に配置されたゲート電極と、
   前記半導体領域の前記第１の主面における前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の少なくとも一部の上に配置され且つ前記第１導電型を有している有機半導体膜と
   を備えていることを特徴とする電界効果トランジスタ。
2. 前記ゲート電極は前記第１の半導体層にショットキー接触している電極であり、前記第１の半導体層は、前記電界効果トランジスタをノーマリオフで動作させることが可能な厚みを有していることを特徴とする請求項１記載の電界効果トランジスタ。
3. 前記第１導電型はｎ型であり、前記有機半導体膜はｎ型を示すフラーレン又は金属フタロシアニンから成ることを特徴とする請求項１又は２記載の電界効果トランジスタ。
4. 前記半導体領域は、更に、前記第１の半導体層の上に配置されており且つ導電型不純物がドープされていない結晶半導体から成るキャップ層を有していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の電界効果トランジスタ。
5. 前記半導体領域は、更に、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との間に配置されており且つ導電型不純物がドープされていない結晶半導体から成り且つ前記第１の半導体層よりも薄く形成されているスペーサー層を有していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載の電界効果トランジスタ。
6. 更に、前記半導体領域と前記有機半導体膜との間に配置された絶縁膜を有していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１つに記載の電界効果トランジスタ。
7. 更に、前記第１導電型を有する前記有機半導体膜の上に配置され且つ前記第１導電型と反対の第２導電型を有している別の有機半導体膜を備えていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の電界効果トランジスタ。
8. 更に、前記第１の導電型を有する前記有機半導体膜と前記第２導電型を有する前記別の有機半導体膜との間に配置された絶縁膜を有していることを特徴とする請求項７記載の電界効果トランジスタ。
9. 更に、前記半導体領域の前記一方の主面上に配置され且つ前記ゲート電極又は前記ドレイン電極に接続された抵抗性フィールドプレートを有していることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１つに記載の電界効果トランジスタ。
10. 更に、前記第１導電型を有する前記有機半導体膜の上に配置され且つ前記ゲート電極又は前記ドレイン電極に接続されたフィールドプレートを有していることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１つに記載の電界効果トランジスタ。
11. 更に、前記第１導電型の前記有機半導体膜と前記半導体領域の前記第１の主面との間に配置された絶縁膜を有していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１つに記載の電界効果トランジスタ。
12. 更に、前記ゲート電極と前記半導体領域の前記第１の主面との間に配置されたゲート絶縁膜を有していることを特徴とする請求項１記載の電界効果トランジスタ。

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