JP2010206048A

JP2010206048A - 電界効果トランジスタ装置

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Publication number: JP2010206048A
Application number: JP2009051604A
Authority: JP
Inventors: Kenichiro Tanaka; 健一郎田中; Tetsuzo Ueda; 哲三上田
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2009-03-05
Filing date: 2009-03-05
Publication date: 2010-09-16

Abstract

【課題】窒化物半導体を用いた電界効果トランジスタ装置において、ノーマリオフを保ちつつチャネル抵抗（オン抵抗）を小さくできるようにする。
【解決手段】電界効果トランジスタ装置は、アンドープＧａＮ層１３と、アンドープＧａＮ層１３の上に形成されたアンドープＡｌＧａＮ層１４と、アンドープＡｌＧａＮ層の上に形成され、ｐ型のＧａＮからなるゲート電極１６と、アンドープＡｌＧａＮ層の上におけるゲート電極の両側方の領域に間隔をおいて形成されたソース電極１５及びドレイン電極１７とを有している。さらに、アンドープＡｌＧａＮ層の上におけるゲート電極とソース電極との間及びゲート電極とドレイン電極との間の少なくとも一部の領域には強誘電体層１８が形成されており、該強誘電体層は、アンドープＡｌＧａＮ層と接する部位が正に分極し、且つ、アンドープＡｌＧａＮ層と反対側の部位が負に分極している。
【選択図】図２

Description

本発明は、電界効果トランジスタ装置に関し、特に窒化物半導体からなる電界効果トランジスタ装置に関する。

窒化物半導体（III族窒化物半導体）は、シリコン（Ｓｉ）又はヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）等と比べて、バンドギャップ、絶縁破壊電界及び電子の飽和ドリフト速度のいずれもが大きい。また、面方位の（０００１）面を主面とする基板上に形成された窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）／窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるヘテロ構造には、自発分極及びピエゾ分極によりヘテロ界面に２次元電子ガスが生じる。このヘテロ界面に生じた２次元電子ガスによって、ＡｌＧａＮ／ＧａＮからなるヘテロ構造には、不純物をドープしなくとも１×１０^１３ｃｍ^−２以上のシートキャリア濃度を得られる。この高濃度の２次元電子ガスをキャリアとして用いた高電子移動度トランジスタ（high electron mobility transisitor：ＨＥＭＴ）が近年注目を集めており、種々のＨＥＭＴ構造が提案されている。

図８は従来のＡｌＧａＮ／ＧａＮからなるヘテロ構造を有する電界効果トランジスタの断面構成を示している。図８に示すように、従来の電界効果トランジスタ（以下、ＨＥＭＴ３と呼ぶ。）は、Ｓｉからなる基板上に順次エピタキシャル成長により形成された、ＡｌＮからなる低温バッファ層１０２、アンドープＧａＮ層１０３及びアンドープＡｌＧａＮ層１０４を有している。アンドープＡｌＧａＮ層１０４の上には、ソース電極１０５及びドレイン電極１０７が互いに間隔をおいて形成され、ゲート電極１０６は、アンドープＡｌＧａＮ層１０４の上のソース電極１０５及びドレイン電極１０７の間の領域に形成されている。

図９（ａ）〜図９（ｃ）はＨＥＭＴ３に生じる分極、分極電荷、及びエネルギーバンドダイアグラムをそれぞれ模式的に表している（例えば、非特許文献１を参照。）。図９（ａ）に示すように、ＧａＮ層１０３とＡｌＧａＮ層１０４との格子定数の違いから、ＡｌＧａＮ層１０４に生じるピエゾ分極Ｐ_ＰＥとＡｌＧａＮ層１０４が本来有する自発分極Ｐ_ＳＰとの和（Ｐ＝Ｐ_ＰＥ＋Ｐ_ＳＰ）によって、図９（ｂ）に示される分極電荷σが生じる。このうち、ＡｌＧａＮ層１０４中の、該ＡｌＧａＮ層１０４とＧａＮ層１０３との界面近傍に存在する分極電荷σを電気的に打ち消すように、ＧａＮ層１０３中の、ＡｌＧａＮ層１０４とＧａＮ層１０３との界面近傍に２次元電子ガス１０３ａが誘起される。

ここで、ＨＥＭＴ３のソースドレイン間に電圧を印加すると、チャネル内の電子がソース電極１０５からドレイン電極１０７に向かって移動する。このときゲート電極１０６に加える電圧を制御して、ＡｌＧａＮ層１０４におけるゲート電極１０６直下の領域に生じる空乏層の厚さ（深さ）を変化させることにより、ソース電極１０５からドレイン電極１０７へ移動する電子、すなわちドレイン電流を制御することが可能となる。
O. Ambacher, B. Foutz, J. Smart, J.R. Shealy, N.G. Weimann, K. Chu. M. Murphy, A.J. Sierakowski, W.J. Schaff, L.F. Eastman, R. Dimitrov, A. Mitchell, and M. Stutzmann, "Two dimensional electron gases induced by spontaneous and piezoelectric polarization in undoped and doped AlGaN/GaN heterostructures," Journal of Applied Physics 87, p.334-344 (2000). L. Shen, S. Heikman, B. Moran, R. Coffie, N.-Q. Zhang, D. Buttari, I. P. Smorchkova, S. Keller, S. P. DenBaars, and U. K. Mishra, "AlGaN/AlN/GaN High-Power Microwave HEMT," IEEE Electron Device Letters 22, 457 (2001). S. Acar, S.B. Lisesivdin, M. Kasap, S. Ozcelik, E. Ozbay, "Determination of two-dimensional electron and hole gas carriers in AlGaN/GaN/AlN heterostructures grown by Metal Organic Chemical Vapor Deposition", Thin Solid Films 516 (2008) 2041. 特開２００７−２２０８９５号公報特開２００６−１５６８１６号公報特開２００６−３３２５９３号公報特開２００７−３１７７２９号公報特開２００８−２１１１７２号公報

上記のように、ＧａＮ系化合物半導体を用いたＨＥＭＴ構造においては、一般に２次元電子ガスのチャネル抵抗は小さい方が望ましい。チャネル抵抗を小さくするには、２次元電子ガス中の電子の移動度を増大させるか、又は２次元電子ガスのキャリア濃度を増大させればよい。

２次元電子ガスの移動度を増大させるには、ＧａＮ層１０３とＡｌＧａＮ層１０４との界面にＡｌＮ層を１原子層レベルで形成し、ＡｌＧａＮ層に存在する合金散乱を抑制することにより達成することができる（例えば、非特許文献２を参照。）。

一方、２次元電子ガスのキャリア濃度を増大させるには、ＧａＮ層１０３の上に形成されるＡｌＧａＮ層１０４のＡｌ組成を増大させるか、又はＡｌＧａＮ層１０４の膜厚を増大させることにより達成できる。ところが、ＧａＮ層１０３の上にエピタキシャル成長が可能なＡｌＧａＮ層１０４の厚さはＡｌ濃度に依存する臨界膜厚以上にすることはできない。このため、２次元電子ガス濃度を無制限に増大させることはできず、チャネル抵抗を下げるにも限界がある（例えば、非特許文献１を参照。）。

ところで、このようなＧａＮを用いたＨＥＭＴ構造をパワーデバイスとして用いる場合に、ノーマリオフ型のデバイスであることが望ましい。その主な理由は、デバイスのオフ状態を得るために新たに負電源を用意する必要がないこと、デバイスの故障時にソースドレイン間に電流が流れないため、安全性が高まることからである。このため、ノーマリオフ型のＨＥＭＴ構造を実現するための方法が、現在盛んに研究されている。

例えば、特許文献１には、ｐ型のＧａＮ層又はｐ型のＡｌＧａＮ層をゲート電極に用いることにより、ノーマリオフを実現することができることが示されている。

一方、特許文献２、特許文献３及び特許文献４には、ゲート電極に強誘電体層を用いることにより、ゲート電極の直下のチャネル部分のキャリアを空乏化させて、ノーマリオフを実現する方法が記載されている。

ところが、このノーマリオフとチャネル抵抗の低減とを両立することは従来難しかった。例えば、特許文献５には、ゲートリセスとｐ型ＧａＮとを用いることにより、ノーマリオフを実現する構造が記載されている。この構造の場合、Ａｌ濃度を増大させるか又はＡｌＧａＮ層を厚くすることによって、チャネル抵抗を低減することができる。しかしながら、ノーマリオフを実現するには、ゲートリセスによりゲート電極の下側のＡｌＧａＮ層の厚さを数ナノメートル程度にまで薄くする必要がある。このように薄いＡｌＧａＮ層を残すようにエッチングを行うことは原理的には可能であるが、再現性を確保することが極めて困難である。

本発明は、前記従来の問題に鑑み、窒化物半導体を用いた電界効果トランジスタ装置において、ノーマリオフを保ちつつチャネル抵抗（オン抵抗）を小さくできるようにすることを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明は、電界効果トランジスタ装置を、ｐ型窒化物半導体からなるゲート電極とソース電極との間及び該ゲート電極とドレイン電極との間の少なくとも一部の領域に強誘電体層を形成し、該強誘電体層のチャネル領域に近い部位を正に分極させ、チャネル領域から遠い部位を負に分極させる構成とする。

具体的に、本発明に係る電界効果トランジスタ装置は、第１の窒化物半導体からなる第１の半導体層と、第１の半導体層の上に形成され、第１の窒化物半導体よりもバンドギャップが大きい第２の窒化物半導体からなる第２の半導体層と、第２の半導体層の上に形成され、第１導電型の第３の窒化物半導体からなるゲート電極と、第２の半導体層の上におけるゲート電極の両側方の領域にそれぞれ間隔をおいて形成されたソース電極及びドレイン電極と、第２の半導体層の上におけるゲート電極とソース電極との間及びゲート電極とドレイン電極との間の少なくとも一部の領域に形成された強誘電体層とを備え、第１導電型がｐ型の場合には、強誘電体層は、第２の半導体層と接する部位が正に分極し、且つ、第２の半導体層と反対側の部位が負に分極しており、第１導電型がｎ型の場合には、強誘電体層は、第２の半導体層と接する部位が負に分極し、且つ、第２の半導体層と反対側の部位が正に分極していることを特徴とする。

本発明の電界効果トランジスタ装置によると、第２の半導体層上におけるゲート電極とソース電極との間及びゲート電極とドレイン電極との間の少なくとも一部の領域に形成された強誘電体層を備えているため、強誘電体層が有する自発分極が第１の半導体層と第２の半導体層とに追加される。これにより、固定電荷が増加して２次元電子ガス（又は２次元ホールガス）の濃度も増大するため、２次元電子ガス（又は２次元ホールガス）のチャネル抵抗が減少する。また、ゲート電極にｐ型（又はｎ型）の窒化物半導体を用いていることから、ノーマリオフを実現できる。

本発明の電界効果トランジスタ装置において、強誘電体層は、ゲート電極の下側部分には形成されていないことが好ましい。

本発明の電界効果トランジスタ装置において、強誘電体層には、ＢａＴｉＯ_３、（Ｐｂ，Ｌａ)(Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３、ＳｒＢｉ_２Ｔａ_２Ｏ_９、Ｂｉ_４Ｔｉ_３Ｏ_９、ＬｉＮｂＯ_３及びＳｒ_２Ｎｂ_２Ｏ_７からなる群から選ばれる少なくとも１つ、又はＢａＭｇＦ_４及びＢａＭｎＦ_４のうちの少なくとも１つ、又はポリフッ化ビニリデンを用いることができる。

なお、本発明の電界効果トランジスタ装置において、第１の窒化物半導体及び第２の窒化物半導体には、第２の窒化物半導体のバンドギャップが第１の窒化物半導体のバンドギャップよりも大きい組成範囲で、それぞれＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｇａ_ｘＩｎ_ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）を用いることができる。

本発明に係る電界効果トランジスタによると、ノーマリオフを保ちつつチャネル抵抗を低減することができる。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の第１の実施形態に係る電界効果トランジスタ装置の断面構成を模式的に表している。

図１に示すように、第１の実施形態に係る電界効果トランジスタ装置（以下、ＨＥＭＴ１と呼ぶ。）は、例えば、シリコン（Ｓｉ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）又はサファイア（単結晶Ａｌ_２Ｏ_３）等からなる基板１１の主面上にエピタキシャル成長により順次形成された、ＡｌＮからなる低温バッファ層１２、アンドープＧａＮ層１３及びアンドープＡｌＧａＮ層１４を有している。

アンドープＡｌＧａＮ層１４の上の両端部には、ソース電極１５及びドレイン電極１７が形成されている。また、アンドープＡｌＧａＮ層１４の上のソース電極１５及びドレイン電極１７の間の領域には、ゲート電極１６が形成されている。ここで、ソース電極１５及びドレイン電極１７は、例えば厚さが２０ｎｍのチタン（Ｔｉ）と厚さが１５０ｎｍのアルミニウム（Ａｌ）とにより形成されており、ゲート電極１６は、例えば厚さが１００ｎｍのｐ型のＧａＮにより形成されている。

さらに、第１の実施形態の特徴として、アンドープＡｌＧａＮ層１４の上におけるゲート電極１６とソース電極１５との間、及びゲート電極１６とドレイン電極１７との間の領域には、強誘電体層１８がそれぞれ形成されている。強誘電体層１８には、チタン酸バリア膜（ＢａＴｉＯ_３）、ジルコンチタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ)(Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）、タンタル酸ストロンチウムビスマス（ＳｒＢｉ_２Ｔａ_２Ｏ_９）、チタン酸ビスマス（Ｂｉ_４Ｔｉ_３Ｏ_９）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）及びニオブ酸ストロンチウム（Ｓｒ_２Ｎｂ_２Ｏ_７）からなる群から選ばれる少なくとも１つ、又は四フッ化バリウムマグネシウム（ＢａＭｇＦ_４）及び四フッ化バリウムマンガン（ＢａＭｎＦ_４）のうちの少なくとも１つ、又はポリフッ化ビニリデンを用いることができる。

ここで、例えば、強誘電体層１８にＢａＴｉＯ_３を用いる場合には、該強誘電体層１８の厚さは例えば５００ｎｍとすればよい。

図２に示すように、本実施形態に係るＨＥＭＴ１は、ソース電極１５、ドレイン電極１７及びゲート電極１６及び強誘電体層１８をそれぞれパターニングした後、各強誘電体層１８にポーリング処理を施す。

具体的には、各強誘電体層１８の上に、厚さが１００ｎｍのＡｌからなる処理電極１９をそれぞれ形成し、形成された処理電極１９が負に、ソース電極１５が正となるように電界を加える。すなわち、強誘電体層１８とアンドープＧａＮ層１３の２次元電子ガスとに電界を印加することにより、各強誘電体層１８のアンドープＡｌＧａＮ層１４と接する下部に正の電荷が生じ、各強誘電体層１８の上部に負の電荷が生じる。これにより、各強誘電体層１８は、アンドープＡｌＧａＮ層１４と接する部位が正に分極し、且つ、アンドープＡｌＧａＮ層１４と反対側の部位が負に分極する。

ここで、ポーリング処理は、例えば強誘電体層１８にＢａＴｉＯ_３を用いる場合には、印加電圧を１００Ｖとして、１２０秒程度行えばよい。

なお、ポーリング処理の終了後には、各強誘電体層１８の上に形成された処理電極１９はそのまま残しておいても構わないが、ソースドレイン間の耐圧を確保するには取り除くことが望ましい。

なお、ゲート電極１６の下側に強誘電体層１８を設けない理由は、ゲート電極１６に印加する電圧によって強誘電体層１８の分極が変化すると、これにより、ソースドレイン間に流れる電流が変化してしまい、デバイスの特性が不安定になるからである。特に、強誘電体層１８における分極の応答速度は、上記で述べたｐ型ＧａＮ又はｐ型ＡｌＧａＮを用いる場合と比べてかなり遅くなるため、強誘電体層１８をゲート電極１６の下側に設けると応答速度が低下する。従って、ゲート電極１６の下側には強誘電体層１８を設けないことが好ましい。

第１の実施形態においては、ゲート電極１６にｐ型のＧａＮを用いており、これによりＨＥＭＴ１はノーマリオフ型の電界効果トランジスタ装置となる。但し、ＨＥＭＴ１をノーマリオフ動作をさせるには、ゲート電極１６にｐ型のＧａＮを用いる構成に限られない。例えば、ｐ型のＡｌＧａＮ、ｐ型の酸化亜鉛（ＺｎＯ）又はｐ型の酸化ニッケル（ＮｉＯ）等を用いてもよい。

本願発明者らは、上記のような構成を採るＨＥＭＴ１において、ノーマリオフ動作を実現しつつチャネル抵抗を小さくすることができることを初めて見出した。

図３（ａ）〜図３（ｃ）は、第１の実施形態に係るＨＥＭＴ１に生じる分極、分極電荷、及びエネルギーバンドダイアグラムをそれぞれ模式的に表している。

図３（ａ）に示すように、アンドープＡｌＧａＮ層１４の上のゲート電極１６とソース電極１５との間、及びゲート電極１６とドレイン電極１７との間の領域に形成された強誘電体層１８が持つ自発分極Ｐ_ＳＰ２が追加される。このため、図３（ｂ）に示すように、分極電荷に固定電荷σ２が追加される。これにより、２次元電子ガス１３ａの濃度はσ２分だけ増加するため、２次元電子ガス１３ａのチャネル抵抗が減少する。このように、ＨＥＭＴ１においては、チャネル領域における各強誘電体層１８の下側部分の抵抗は、強誘電体層１８によって生じる自発分極Ｐ_ＳＰ２の影響によりチャネル抵抗が減少する。

さらに、ゲート電極１６には、ｐ型ＧａＮ又はｐ型ＡｌＧａＮ等を用いていることから、ゲート電圧が０Ｖのときにチャネルは遮断されている。

図４（ａ）は第１の実施形態に係るＨＥＭＴ１におけるソースドレイン間電圧Ｖ_Ｄに対するソースドレイン間電流Ｉ_Ｄとの関係（以下、Ｉ_Ｄ−Ｖ_Ｄ特性と略称する。）を示している。図４（ｂ）に比較用として従来のＨＥＭＴ３におけるＩ_Ｄ−Ｖ_Ｄ特性を示す。ここでは、ゲート電圧Ｖ_Ｇを０Ｖから６Ｖまで１Ｖ刻みで変化させている。

図４（ａ）からは、第１の実施形態に係るＨＥＭＴ１は、アンドープＡｌＧａＮ層１４の上に強誘電体層１８を設けているため、ソースドレイン間電流Ｉ_Ｄが上昇していることが分かる。

図５に第１の実施形態に係るＨＥＭＴ１と従来のＨＥＭＴ３とのソースドレイン間電流Ｉ_Ｄのゲート電圧Ｖ_Ｇ依存性を示す。図５からは、強誘電体層１８を設けたＨＥＭＴ１においても、閾値電圧は０Ｖ以上となっており、ノーマリオフが実現されていることが分かる。

以上のように、第１の実施形態に係るＨＥＭＴ１は、ノーマリオフを実現しつつ、チャネル抵抗を減少させることができる。

（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態に係る電界効果トランジスタ装置の断面構成を模式的に示している。

第１の実施形態においては、チャネルに２次元電子ガスを用いたが、２次元ホールガスをチャネルに用いてもよい。この場合には、強誘電体層の分極の方向は２次元電子ガスの場合と逆になる。以下に具体的に説明する。

図６に示すように、第２の実施形態に係る電界効果トランジスタ装置（以下、ＨＥＭＴ２と呼ぶ。）は、例えば、シリコン、炭化ケイ素又はサファイア等からなる基板２１の主面上にエピタキシャル成長により順次形成された、ＡｌＮからなる低温バッファ層２２、アンドープＡｌＧａＮ層２３、アンドープＧａＮ層２４及びアンドープＡｌＧａＮ層２５を有している。

アンドープＡｌＧａＮ層２５の上の両端部には、ソース電極２６及びドレイン電極２８が形成されている。また、アンドープＡｌＧａＮ層２５の上のソース電極２６及びドレイン電極２８の間の領域には、ゲート電極２７が形成されている。ここで、ソース電極２６及びドレイン電極２８は、例えば厚さが２０ｎｍのＴｉと厚さが１５０ｎｍのＡｌとにより形成されており、ゲート電極２７は、例えば厚さが１００ｎｍのｎ型のＧａＮにより形成されている。このような構造においては、アンドープＡｌＧａＮ層２５とアンドープＧａＮ層２４との境界において２次元ホールガスが生じることが報告されている（例えば、非特許文献３を参照。）。

第２の実施形態の特徴として、アンドープＡｌＧａＮ層２５の上におけるゲート電極２７とソース電極２６との間、及びゲート電極２７とドレイン電極２８との間の領域には、強誘電体層２９がそれぞれ形成されている。強誘電体層２９には、ＢａＴｉＯ_３、（Ｐｂ，Ｌａ)(Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３、ＳｒＢｉ_２Ｔａ_２Ｏ_９、Ｂｉ_４Ｔｉ_３Ｏ_９、ＬｉＮｂＯ_３及びＳｒ_２Ｎｂ_２Ｏ_７からなる群から選ばれる少なくとも１つ、又はＢａＭｇＦ_４及びＢａＭｎＦ_４のうちの少なくとも１つ、又はポリフッ化ビニリデンを用いることができる。

ここで、例えば、強誘電体層２９にＢａＴｉＯ_３を用いる場合には、該強誘電体層２９の厚さは５００ｎｍとする。

第２の実施形態に係るＨＥＭＴ２に対しても、第１の実施形態のＨＥＭＴ１と同様に、デバイスを動作させる前に、各強誘電体層２９にポーリング処理を施す。

具体的には、各強誘電体層２９の上に、厚さが１００ｎｍのＡｌからなる処理電極３０をそれぞれ形成し、形成された処理電極３０が正に、ソース電極２６が負となるように電界を加える。すなわち、強誘電体層２９とアンドープＧａＮ層２４の２次元ホールガスとに電界を印加することにより、各強誘電体層２９のアンドープＡｌＧａＮ層２５と接する下部に負の電荷が生じ、各強誘電体層２９の上部に正の電荷が生じる。これにより、各強誘電体層２９は、アンドープＡｌＧａＮ層２５と接する部位が負に分極し、且つ、アンドープＡｌＧａＮ層２５と反対側の部位が正に分極する。

ここで、ポーリング処理は、例えば強誘電体層２９にＢａＴｉＯ_３を用いる場合には、印加電圧を１００Ｖとして、１２０秒程度行えばよい。

なお、ポーリング処理の終了後には、各強誘電体層２９の上に形成された処理電極３０はそのまま残しておいてもよく、ソースドレイン間の耐圧を確保するために取り除いてもよい。

第２の実施形態においては、ゲート電極１６にｎ型のＧａＮを用いており、これによりＨＥＭＴ２はノーマリオフ型の電界効果トランジスタ装置となる。但し、ＨＥＭＴ２をノーマリオフ動作をさせるには、ゲート電極２７にｎ型のＧａＮを用いる構成に限られない。例えば、ｎ型のＡｌＧａＮを用いてもよい。

図７（ａ）〜図７（ｃ）は、第２の実施形態に係るＨＥＭＴ２における図６のVII−VII線に沿って生じる分極、分極電荷、及びエネルギーバンドダイアグラムをそれぞれ模式的に表している。

図７（ｃ）で示したバンド構造により、図７（ａ）には、２次元ホールガス２４ｂが誘起されることが分かる。この構造において、強誘電体層２９が持つ自発分極Ｐ_ＳＰ２による分極電荷σ２によって、２次元ホールガス濃度を大きくすることができる。なお、符号２４ａは２次元電子ガスである。

以上のように、第２の実施形態に係るｐ型のＨＥＭＴ２においても、ノーマリオフを実現しながら、チャネル抵抗を減少させることができる。

本発明に係る電界効果トランジスタ装置は、ノーマリオフを保ちつつチャネル抵抗を低減することができ、特に窒化物半導体からなる電界効果トランジスタ装置であって、例えば電源回路等で用いられるパワートランジスタ等として有用である。

本発明の第１の実施形態に係る電界効果トランジスタ装置を示す断面図である。本発明の第１の実施形態に係る電界効果トランジスタ装置に対して行うポーリング処理方法を示す模式的な断面図である。（ａ）〜（ｃ）は本発明の第１の実施形態に係る電界効果トランジスタ装置であって、（ａ）は各窒化物半導体層に生じる分極、（ｂ）は各窒化物半導体層に生じる分極電荷、（ｃ）は各窒化物半導体層に生じるエネルギーバンドを示す図である。（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る電界効果トランジスタ装置におけるＩ_Ｄ−Ｖ_Ｄ特性を示すグラフである。（ｂ）は従来例に係る電界効果トランジスタ装置におけるＩ_Ｄ−Ｖ_Ｄ特性を示すグラフである。本発明の第１の実施形態に係る電界効果トランジスタ装置のＩ_Ｄ−Ｖ_Ｇ特性を従来例と共に示したグラフである。本発明の第２の実施形態に係る電界効果トランジスタ装置とそのポーリング処理方法とを示す模式的な断面図である。（ａ）〜（ｃ）は本発明の第２の実施形態に係る電界効果トランジスタ装置であって、（ａ）は図６の各窒化物半導体層のVII−VII線に沿って生じる分極、（ｂ）は各窒化物半導体層に生じる分極電荷、（ｃ）は各窒化物半導体層に生じるエネルギーバンドを示す図である。従来例に係る窒化物半導体からなる電界効果トランジスタ装置を示す断面図である。（ａ）〜（ｃ）は従来例に係る電界効果トランジスタ装置であって、（ａ）は各窒化物半導体層に生じる分極、（ｂ）は各窒化物半導体層に生じる分極電荷、（ｃ）は各窒化物半導体層に生じるエネルギーバンドを示す図である。

１１基板
１２低温バッファ層
１３アンドープＧａＮ層
１３ａ２次元電子ガス
１４アンドープＡｌＧａＮ層
１５ソース電極
１６ゲート電極
１７ドレイン電極
１８強誘電体層
１９処理電極
２１基板
２２低温バッファ層
２３アンドープＡｌＧａＮ層
２４アンドープＧａＮ層
２４ａ２次元電子ガス
２４ｂ２次元ホールガス
２５アンドープＡｌＧａＮ層
２６ソース電極
２７ゲート電極
２８ドレイン電極
２９強誘電体層
３０処理電極

Claims

第１の窒化物半導体からなる第１の半導体層と、
前記第１の半導体層の上に形成され、前記第１の窒化物半導体よりもバンドギャップが大きい第２の窒化物半導体からなる第２の半導体層と、
前記第２の半導体層の上に形成され、第１導電型の第３の窒化物半導体からなるゲート電極と、
前記第２の半導体層の上における前記ゲート電極の両側方の領域にそれぞれ間隔をおいて形成されたソース電極及びドレイン電極と、
前記第２の半導体層の上における前記ゲート電極と前記ソース電極との間及び前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間の少なくとも一部の領域に形成された強誘電体層とを備え、
前記第１導電型がｐ型の場合には、前記強誘電体層は、前記第２の半導体層と接する部位が正に分極し、且つ、前記第２の半導体層と反対側の部位が負に分極しており、
前記第１導電型がｎ型の場合には、前記強誘電体層は、前記第２の半導体層と接する部位が負に分極し、且つ、前記第２の半導体層と反対側の部位が正に分極していることを特徴とする電界効果トランジスタ装置。
前記強誘電体層は、前記ゲート電極の下側部分には形成されていないことを特徴とする請求項１に記載の電界効果トランジスタ装置。
前記強誘電体層は、ＢａＴｉＯ_３、（Ｐｂ，Ｌａ)(Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３、ＳｒＢｉ_２Ｔａ_２Ｏ_９、Ｂｉ_４Ｔｉ_３Ｏ_９、ＬｉＮｂＯ_３及びＳｒ_２Ｎｂ_２Ｏ_７からなる群から選ばれる少なくとも１つ、又はＢａＭｇＦ_４及びＢａＭｎＦ_４のうちの少なくとも１つ、又はポリフッ化ビニリデンにより構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電界効果トランジスタ装置。