JP2023037165A - ノーマリーオフ型分極超接合GaN系電界効果トランジスタおよび電気機器 - Google Patents
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Abstract
Description
第1アンドープGaN層と、
上記第1アンドープGaN層上のAlx Ga1-x N層(0<x<1)と、
上記Alx Ga1-x N層上の、島状の形状を有する第2アンドープGaN層と、
上記第2アンドープGaN層上のp型GaN層と、
上記p型GaN層上のp型Iny Ga1-y N層(0<y<1)と、
上記Alx Ga1-x N層上のソース電極と、
上記Alx Ga1-x N層上のドレイン電極と、
上記p型Iny Ga1-y N層と電気的に接続された第1ゲート電極と、
上記Alx Ga1-x N層上の、上記第2アンドープGaN層の上記ソース電極側の端部に近接したp型Inz Ga1-z N層(0<z<1)および当該p型Inz Ga1-z N層上にゲート絶縁膜を介して設けられた第2ゲート電極と、
を有し、
上記p型GaN層は上記第2アンドープGaN層の全面または上記ソース電極側の片側部分にのみ存在し、
上記p型Iny Ga1-y N層は、上記p型GaN層が上記第2アンドープGaN層の全面に存在する場合は上記p型GaN層の上記ソース電極側の片側部分にのみ存在し、上記p型GaN層が上記第2アンドープGaN層の上記ソース電極側の片側部分にのみ存在する場合は上記p型GaN層の全面または一部に存在し、
非動作時において、上記第1アンドープGaN層と上記Alx Ga1-x N層との間のヘテロ界面の近傍の部分における上記第1のアンドープGaN層に形成される2次元電子ガスの、上記第2ゲート電極の直下の部分における濃度をn0 、上記第1ゲート電極の直下の部分における濃度をn1 、分極超接合領域における濃度をn2 、上記分極超接合領域と上記ドレイン電極との間の部分における濃度をn3 としたとき、
n0 ≦n1 <n2 <n3
であるノーマリーオフ型分極超接合GaN系電界効果トランジスタである。
p1 >p2
である。
少なくとも一つのトランジスタを有し、
上記トランジスタが、
第1アンドープGaN層と、
上記第1アンドープGaN層上のAlx Ga1-x N層(0<x<1)と、
上記Alx Ga1-x N層上の、島状の形状を有する第2アンドープGaN層と、
上記第2アンドープGaN層上のp型GaN層と、
上記p型GaN層上のp型Iny Ga1-y N層(0<y<1)と、
上記Alx Ga1-x N層上のソース電極と、
上記Alx Ga1-x N層上のドレイン電極と、
上記p型Iny Ga1-y N層と電気的に接続された第1ゲート電極と、
上記Alx Ga1-x N層上の、上記第2アンドープGaN層の上記ソース電極側の端部に近接したp型Inz Ga1-z N層(0<z<1)および当該p型Inz Ga1-z N層上にゲート絶縁膜を介して設けられた第2ゲート電極と、
を有し、
上記p型GaN層は上記第2アンドープGaN層の全面または上記ソース電極側の片側部分にのみ存在し、
上記p型Iny Ga1-y N層は、上記p型GaN層が上記第2アンドープGaN層の全面に存在する場合は上記p型GaN層の上記ソース電極側の片側部分にのみ存在し、上記p型GaN層が上記第2アンドープGaN層の上記ソース電極側の片側部分にのみ存在する場合は上記p型GaN層の全面または一部に存在し、
非動作時において、上記第1アンドープGaN層と上記Alx Ga1-x N層との間のヘテロ界面の近傍の部分における上記第1のアンドープGaN層に形成される2次元電子ガスの、上記第2ゲート電極の直下の部分における濃度をn0 、上記第1ゲート電極の直下の部分における濃度をn1 、分極超接合領域における濃度をn2 、上記分極超接合領域と上記ドレイン電極との間の部分における濃度をn3 としたとき、
n0 ≦n1 <n2 <n3
であるノーマリーオフ型分極超接合GaN系電界効果トランジスタである電気機器である。
〈第1の実施の形態〉
[ノーマリーオフ型分極超接合GaN系FET]
図5に示すように、ソース電極17、ゲート電極16およびゲート電極20を互いに結線し、これらのソース電極17、ゲート電極16およびゲート電極20に対し、ドレイン電極18に正電圧Vdgを印加する。この場合、ゲート電極16とドレイン電極18との間およびゲート電極20とドレイン電極18との間は逆バイアスとなって分極超接合領域の2DHG21の正孔はゲート電極16から引き抜かれ、分極超接合領域の2DEG22の電子はドレイン電極18から引き抜かれる。ゲート電極20の直下の2DEG22の濃度n0 は実質的に0であるので、ソース電極17から2DEG22を介してドレイン電極18に流れる電流はない。すなわち、ノーマリーオフとなっている。
まず、図8に示すように、基板10上に、例えば、従来公知のMOCVD(有機金属化学気相成長)法により、Ga原料としてTMG(トリメチルガリウム)、Al原料としてTMA(トリメチルアルミニウム)、窒素原料としてNH3 (アンモニア)、キャリアガスとしてN2 ガスおよびH2 ガスを用いて、バッファ層(図示せず)、アンドープGaN層11、Alx Ga1-x N層12、アンドープGaN層13およびp型GaN層14を順次エピタキシャル成長させる。アンドープGaN層11、Alx Ga1-x N層12、アンドープGaN層13およびp型GaN層14の成長温度は例えば1100℃程度である。基板10としては、サファイア基板(例えば、C面サファイア基板)、Si基板、SiC基板などを用いることができる。バッファ層は、GaN層、AlN層、AlGaN層、AlGaN/GaN超格子層などを用いることができる。バッファ層として例えばGaN層を用いる場合には例えば530℃程度の低温で成長させる。p型GaN層14の成長の際のp型ドーパントとしてはビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2 Mg)を用い、p型GaN層14の成長の際のキャリアガスとしては水素(H2 )および窒素(N2 )を用いる。
まず、基板10としてC面サファイア基板を用い、その上に、MOCVD法により、厚さ30nmのGaN低温バッファ層、厚さ3000nmのアンドープGaN層11、厚さ30nmでx=0.21のAlx Ga1-x N層12、厚さ50nmのアンドープGaN層13および厚さ40nmでMg濃度[Mg]=5×1019cm-3のp型GaN層14を順次エピタキシャル成長させる。アンドープGaN層11、Alx Ga1-x N層12、アンドープGaN層13およびp型GaN層14の成長温度は1100℃とする。成長時のキャリアガスとしてはN2 ガスおよびH2 ガスを用いる。
ゲート電圧Vg をパラメータとしたId -Vd 特性の測定結果を図13に示す。図13に示すように、Vg =0ではId はほぼ0[A]であった。
Vd =1.0[V]と設定したときのId -Vg 特性の測定結果を図14に示す。図14に示すように、Id はVg =0[V]過ぎから立ち上がっている。図15は図14に示すId -Vg 特性に対し、Id を対数表示(Log)にして分解能を高めたものであり、Vg =0[V]過ぎからのId の立ち上がりがより明確に示されている。閾値電圧Vthの定義をドレイン電流Id がFETの定格ドレイン電流(本FETの場合、Vd =1[V]、Vg =5[V]で、Id ~2.5[A])の1/100程度(2.5×10-2[A])のときのVg と定義すると、Vthは約0.7[V]である。すなわち、ノーマリーオフが実現されていることが分かる。なお、Vthを、ドレイン電流Id が最大定格ドレイン電流の1/100であるときのVg としたのは、ノーマリーオフ型FETとしてゲート信号喪失時に回路系を実質的に保護できる範囲であるからである。
Vg =-8[V]に設定してノーマリーオフ型分極超接合GaN系FETをオフ状態としたとき、Vd に対してId を測定した結果を図16に示す。図16の縦軸は対数軸である。図16に示すように、このノーマリーオフ型分極超接合GaN系FETでは、Vd ~1.5[kV]においてId ~30[μA]であり、非常に高い耐圧が得られていることが分かる。
このノーマリーオフ型分極超接合GaN系FETは、ANDで動作する2ゲートトランジスタである。ゲート電極16およびゲート電極20の両者がオンの場合、ドレイン電流が流れる。ゲート電極16およびゲート電極20のいずれかがオフの場合はドレイン電流は流れない。ところが、ゲート電極16がノーマリーオンであるので、ゲート電極20によってノーマリーオフ型トランジスタとして動作させることができる。この場合、3種類の接続方法が考えられる。
[ノーマリーオフ型分極超接合GaN系FET]
このノーマリーオフ型分極超接合GaN系FETの製造方法は、分極超接合領域におけるアンドープGaN層13上に最終的にp型GaN層14を形成しないことを除いて、第1の実施の形態によるノーマリーオフ型分極超接合GaN系FETの製造方法と同様である。
[ノーマリーオフ型分極超接合GaN系FET]
このノーマリーオフ型分極超接合GaN系FETの製造方法は、p型GaN層14を厚さ方向の途中の深さまでエッチングして薄化した後、p型Iny Ga1-y N層15をエピタキシャル成長させる前に、MOCVD法などにより所定の厚さのAlx Ga1-x N層を全面にエピタキシャル成長させた後、このAlx Ga1-x N層をパターニングすることによりソース電極17およびドレイン電極18を形成する部分のAlx Ga1-x N層12上にのみ残すことを除いて、第1の実施の形態によるノーマリーオフ型分極超接合GaN系FETの製造方法と同様である。このパターニングは、例えば、RIE法などによるエッチングにより行うことができる。このAlx Ga1-x N層の厚さは、アンドープGaN層13の下の部分のAlx Ga1-x N層12の厚さからソース電極17およびドレイン電極18を形成する部分のAlx Ga1-x N層12の厚さを引いた値と同一またはほぼ同一とする。こうすることで、ソース電極17およびドレイン電極18をアンドープGaN層13の下の部分と同じ厚さを有するAlx Ga1-x N層12上に形成することができる。
Claims (8)
- 第1アンドープGaN層と、
上記第1アンドープGaN層上のAlx Ga1-x N層(0<x<1)と、
上記Alx Ga1-x N層上の、島状の形状を有する第2アンドープGaN層と、
上記第2アンドープGaN層上のp型GaN層と、
上記p型GaN層上のp型Iny Ga1-y N層(0<y<1)と、
上記Alx Ga1-x N層上のソース電極と、
上記Alx Ga1-x N層上のドレイン電極と、
上記p型Iny Ga1-y N層と電気的に接続された第1ゲート電極と、
上記Alx Ga1-x N層上の、上記第2アンドープGaN層の上記ソース電極側の端部に近接したp型Inz Ga1-z N層(0<z<1)および当該p型Inz Ga1-z N層上にゲート絶縁膜を介して設けられた第2ゲート電極と、
を有し、
上記p型GaN層は上記第2アンドープGaN層の全面または上記ソース電極側の片側部分にのみ存在し、
上記p型Iny Ga1-y N層は、上記p型GaN層が上記第2アンドープGaN層の全面に存在する場合は上記p型GaN層の上記ソース電極側の片側部分にのみ存在し、上記p型GaN層が上記第2アンドープGaN層の上記ソース電極側の片側部分にのみ存在する場合は上記p型GaN層の全面または一部に存在し、
非動作時において、上記第1アンドープGaN層と上記Alx Ga1-x N層との間のヘテロ界面の近傍の部分における上記第1のアンドープGaN層に形成される2次元電子ガスの、上記第2ゲート電極の直下の部分における濃度をn0 、上記第1ゲート電極の直下の部分における濃度をn1 、分極超接合領域における濃度をn2 、上記分極超接合領域と上記ドレイン電極との間の部分における濃度をn3 としたとき、
n0 ≦n1 <n2 <n3
であるノーマリーオフ型分極超接合GaN系電界効果トランジスタ。 - 非動作時において、上記第2アンドープGaN層と上記Alx Ga1-x N層との間のヘテロ界面の近傍の部分における上記第2のアンドープGaN層に形成される2次元正孔ガスの、上記第1ゲート電極の直下の部分における濃度をp1 、上記分極超接合領域における濃度をp2 としたとき、
p1 >p2
である請求項1記載のノーマリーオフ型分極超接合GaN系電界効果トランジスタ。 - 上記第2ゲート電極のゲート電圧が0[V]、ドレイン電圧が1.0[V]のときのドレイン電流が、上記第2ゲート電極のゲート電圧が5[V]のときのドレイン電流の1/100以下である請求項1または2記載のノーマリーオフ型分極超接合GaN系電界効果トランジスタ。
- 上記第1ゲート電極と上記第2ゲート電極とが互いに電気的に接続され、一体のゲート電極として動作する請求項1~3のいずれか一項記載のノーマリーオフ型分極超接合GaN系電界効果トランジスタ。
- 上記第1ゲート電極と上記ソース電極とが互いに電気的に接続され、上記第1ゲート電極がフィールドプレートとして作用する請求項1~3のいずれか一項記載のノーマリーオフ型分極超接合GaN系電界効果トランジスタ。
- 上記第1ゲート電極が上記ソース電極の電位に対して正の電位に固定されている請求項1~3のいずれか一項記載のノーマリーオフ型分極超接合GaN系電界効果トランジスタ。
- 上記第1ゲート電極、上記第2ゲート電極および上記ソース電極が互いに電気的に接続され、ダイオードの動作をする請求項1~3のいずれか一項記載のノーマリーオフ型分極超接合GaN系電界効果トランジスタ。
- 少なくとも一つのトランジスタを有し、
前記トランジスタが、
第1アンドープGaN層と、
上記第1アンドープGaN層上のAlx Ga1-x N層(0<x<1)と、
上記Alx Ga1-x N層上の、島状の形状を有する第2アンドープGaN層と、
上記第2アンドープGaN層上のp型GaN層と、
上記p型GaN層上のp型Iny Ga1-y N層(0<y<1)と、
上記Alx Ga1-x N層上のソース電極と、
上記Alx Ga1-x N層上のドレイン電極と、
上記p型Iny Ga1-y N層と電気的に接続された第1ゲート電極と、
上記Alx Ga1-x N層上の、上記第2アンドープGaN層の上記ソース電極側の端部に近接したp型Inz Ga1-z N層(0<z<1)および当該p型Inz Ga1-z N層上にゲート絶縁膜を介して設けられた第2ゲート電極と、
を有し、
上記p型GaN層は上記第2アンドープGaN層の全面または上記ソース電極側の片側部分にのみ存在し、
上記p型Iny Ga1-y N層は、上記p型GaN層が上記第2アンドープGaN層の全面に存在する場合は上記p型GaN層の上記ソース電極側の片側部分にのみ存在し、上記p型GaN層が上記第2アンドープGaN層の上記ソース電極側の片側部分にのみ存在する場合は上記p型GaN層の全面または一部に存在し、
非動作時において、上記第1アンドープGaN層と上記Alx Ga1-x N層との間のヘテロ界面の近傍の部分における上記第1のアンドープGaN層に形成される2次元電子ガスの、上記第2ゲート電極の直下の部分における濃度をn0 、上記第1ゲート電極の直下の部分における濃度をn1 、分極超接合領域における濃度をn2 、上記分極超接合領域と上記ドレイン電極との間の部分における濃度をn3 としたとき、
n0 ≦n1 <n2 <n3
であるノーマリーオフ型分極超接合GaN系電界効果トランジスタである電気機器。
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