JP2011014789A - Nitride-based semiconductor field effect transistor - Google Patents
Nitride-based semiconductor field effect transistor Download PDFInfo
- Publication number
- JP2011014789A JP2011014789A JP2009158951A JP2009158951A JP2011014789A JP 2011014789 A JP2011014789 A JP 2011014789A JP 2009158951 A JP2009158951 A JP 2009158951A JP 2009158951 A JP2009158951 A JP 2009158951A JP 2011014789 A JP2011014789 A JP 2011014789A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- layer
- nitride
- field effect
- effect transistor
- semiconductor field
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Landscapes
- Junction Field-Effect Transistors (AREA)
- Thin Film Transistor (AREA)
- Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)
Abstract
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。 The present invention relates to a nitride-based semiconductor device, and more particularly, a so-called normally-off type nitride-based semiconductor heterojunction field effect transistor in which a drain current does not flow when a gate voltage is not applied (hetero-junction field effect transistor: HFET).
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。
Group III nitride semiconductors such as GaN, AlGaN, and InGaN have a higher breakdown voltage and higher current density than conventional semiconductors such as Si and GaAs because of the intrinsic characteristics of materials such as a large energy band gap. Operation is possible and application to power devices is expected.
In particular, a GaN-based semiconductor can form a heterojunction such as AlGaN / GaN, and a nitride-based semiconductor heterojunction field effect transistor (HFET), also known as a high electron mobility transistor (HEMT), can be used. Has been developed.
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。 AlGaN / GaN heterojunction FETs undergo polarization in AlGaN due to spontaneous polarization due to the crystal structure of the nitride semiconductor and piezo polarization due to strain at the interface, resulting in negative charges (electrons) on the GaN side of the AlGaN / GaN interface. Accumulates to form a highly concentrated two-dimensional electron gas. By forming this two-dimensional electron gas, the AlGaN / GaN heterojunction FET has the advantage that the channel resistance (on-resistance of the HFET) can be kept low without doping AlGaN, and a high output operation can be achieved. is there.
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)。
However, AlGaN / GaN-based HFETs are normally-on devices in which current flows through the FET even when no gate signal is present, since it is difficult to eliminate the two-dimensional electron gas even when the gate voltage is zero. It is difficult to achieve a so-called normally-off state (enhancement mode) in which no current flows through the FET when it is not included.
When applied to power devices such as power supply circuits and motor control, normally-off operation is essential, and a method for achieving normally-off operation of an AlGaN / GaN-based HFET has been proposed (for example, Non-Patent
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CF4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(Vth)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。
Non-Patent
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Al2O3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、Al2O3/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。
However, in the method of Non-Patent
非特許文献2の方法では、CF4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。
In the method of
Furthermore, the method of
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。 The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a nitride that can achieve normally-off operation, can obtain a sufficient channel current, and can easily control the threshold voltage. A semiconductor heterojunction field effect transistor is provided.
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電荷を有す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。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides a nitride-based semiconductor field effect transistor having a heterojunction interface as a channel. A nitride-based semiconductor field-effect transistor having a negative ion in a nitride semiconductor that is provided between an electrode and a nitride-based semiconductor and that forms the heterojunction.
ここで、負の電荷を有する第三の層とは、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。
Here, the third layer having a negative charge is a layer other than the control gate electrode and the nitride-based semiconductor between the control gate electrode and the nitride-based semiconductor.
Accordingly, a third layer having a negative charge is provided between the control gate electrode and the nitride semiconductor, and negative ions in the nitride semiconductor forming the heterojunction cause the nitride semiconductor to The potential for electrons is substantially increased and the channel is depleted. As a result, a normally-off operation can be achieved, and the operation threshold voltage can be controlled to a required positive voltage.
また、前記負の電荷を有する第三の層は、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る。
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。
The third layer having a negative charge is made of a conductor layer that is negatively charged by electrons, and the conductor layer is covered with an insulator layer.
Thereby, by confining electrons in the conductor layer as the third layer, the potential of the nitride-based semiconductor adjacent to the conductor layer is substantially increased, and the channel is depleted. This achieves a normally-off operation that prevents current from flowing through the channel when the gate voltage is zero.
また、前記負の電荷を有する第三の層は、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る。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。
The third layer having negative charges is made of polysilicon whose resistance is lowered by implanting ions such as boron B − and phosphorus P − by introducing impurities. Here, if the amount of impurities introduced into the polysilicon is increased, lower resistance polysilicon can be obtained.
As a result, similarly to the nonvolatile memory using the Si-MOSFET, the temperature reliability is increased, and the probability that the charge accumulated in the polysilicon is lost due to the leakage current is reduced.
前記負の電荷を有する第三の層は、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。
The third layer having a negative charge is formed of a refractory metal selected from Mo, Ta, W, Ti, Cr, Nb, or the like, an alloy material containing these metals as a main component, or a compound material thereof. May be.
This increases resistance to high annealing temperatures and operating temperatures, and improves reliability. Further, processing by chemical etching or the like becomes easy.
また、好ましくは、前記負の電荷を有する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Al2O3膜、または酸化Si(SiO2)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、Al2O3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(SiO2)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。
Preferably, the insulator layer covering the third layer having a negative charge is a dielectric layer. The dielectric layer may be composed of two different types of dielectric layers such as a Si nitride film, an Al 2 O 3 film, or an oxide Si (SiO 2 ) film.
For example, in the case of an AlGaN / GaN-based HFET, the insulator layer in contact with AlGaN uses an insulator layer that shares atoms with AlGaN, such as a Si nitride film or an Al 2 O 3 film, thereby reducing the interface state with AlGaN. Thus, current collapse can be suppressed, and a band gap such as an oxide Si (SiO 2 ) film is wide in the insulator layer between the third layer having negative charges and the control gate electrode. It is possible to suppress the attenuation of the charge accumulated in the third layer by using a highly insulating insulator layer.
また、前記負の電荷を有する第三の層が、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。
The third layer having a negative charge may be an insulator layer containing negative ions.
Thereby, by confining negative ions in the insulator layer as the third layer, the potential for the electrons of the nitride semiconductor adjacent to the insulator layer is substantially increased, the channel is depleted, and the normally-off operation is performed. Makes it possible to achieve. By adjusting the amount of negative ions, the threshold is controlled so that no current flows in the channel even if some positive charge is applied to the control gate electrode, and a normally-off nitride semiconductor heterojunction field effect transistor Can be obtained.
前記絶縁体層に含まれる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。
It is desirable that the negative ions contained in the insulator layer are chlorine ions Cl − or fluorine ions F − .
Chlorine ion Cl − and fluorine ion F − are the most easily ionized elements belonging to group VII together with bromine ion Br − . Among them, the chlorine ion Cl − belongs to the same period as Si and has a slightly larger atomic radius than Si. Therefore, it can be present in a more stable and appropriate amount in the Si nitride film and the Si oxide film. it can.
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。 According to the present invention, it is possible to provide a nitride-based semiconductor heterojunction field effect transistor that can achieve normally-off operation, can obtain a sufficient channel current, and can easily control the threshold voltage.
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。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a nitride-based semiconductor
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(SiO2)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。
As shown in FIG. 1, a nitride semiconductor
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。
In this AlGaN / GaN HFET (1 A), a heterojunction interface is formed between the
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。
In the AlGaN / GaN-based HFET (1A) of the present invention, negative ions such as fluorine ions F − are added to the
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。
FIG. 2 is a cross-sectional view (a) showing a schematic structure of the AlGaN / GaN HFET (1A) according to the first embodiment, an energy band diagram (b), and a diagram (c) showing space charges. This figure shows the case where negative ions are added only to the gate oxide film 31.
A cross-sectional view showing a schematic structure of the AlGaN / GaN-based HFET (1A) shown in FIG. 2A is the same as that shown in FIG.
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。
As shown in FIGS. 2B and 2C, the heterojunction of the
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Vthを正の方向に移動させることが可能である。
A
When the
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。
3, 4, 5, 6, and 7 are simulation results of energy bands and carrier concentrations that change depending on the amount of negative ions added to the gate insulating film 31 and the
In this simulation, as shown in FIG. 1, an
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−3×1013cm−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−5×1013cm−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。
3 shows a case where negative ions are not added to the gate insulating film 31 and the AlGaN layer 11 (hereinafter referred to as model a). FIG. 4 shows that −3 × 10 13 negative ions are added only to the gate insulating film 31. When cm −2 is implanted (hereinafter referred to as model b), FIG. 5 shows the energy when negative ions are implanted into the gate insulating film 31 only at −5 × 10 13 cm −2 (hereinafter referred to as model c). It is a simulation result of a band and a carrier concentration.
The above model a, model b, and model c are for implanting negative ions only into the gate insulating film 31, and the gate insulating film of the AlGaN / GaN HFET (1A) according to the first embodiment of the present invention. This will be described for comparison with the case where negative ions are implanted into both 31 and the AlGaN layer 11 (FIG. 6).
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1×1020cm−3である。
As shown in FIG. 3, in the case of model a, negative ions are not implanted into the gate insulating film 31, the potential of the gate insulating film 31 with respect to the electrons of the
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−3×1013cm−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5×1019cm−3に減少する。これにより、しきい値電圧Vthが上昇すると考えられる。
On the other hand, when negative ions (for example, fluorine ions F − ) are implanted into the gate insulating film 31 by −3 × 10 13 cm −2 as in the case of the model b shown in FIG. As a result, the potential of the gate insulating film 31 with respect to the
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−5×1013cm−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1×1019cm−3程度である。
Furthermore, as in the case of model c shown in FIG. 5, when negative ions (for example, F − ) are implanted into the gate insulating film 31 by −5 × 10 13 cm −2 , the gate insulating film 31 with respect to the electrons of the
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−3×1013cm−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−1×1013cm−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。
In FIG. 6, as a first embodiment of the present invention, negative ions (for example, fluorine ions F − ) are implanted at −3 × 10 13 cm −2 into the gate insulating film 31, and the
As shown in the figure, the potential of the gate insulating film 31 becomes as high as in the case of the model b shown in FIG. 4, and the potential of the
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。
In this case, since a considerable amount of negative ions (negative charges) are implanted into the gate insulating film 31 and the
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−1×1013cm−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。
For comparison with the first embodiment of the present invention, FIG. 7 shows a case where negative ions (for example, fluorine ions F − ) are implanted into the
As shown in the figure, the potential of the gate insulating film 31 is the same as that of the model a shown in FIG. 3, and the potential of the portion of the
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1×1019cm−3程度である。
In this case, there are fewer negative ions (negative charges) than in the case of the model d, and the reduction amount of the two-dimensional electron gas is smaller than that of the model d. The carrier concentration in the vicinity of the
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−3×1013cm−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−5×1013cm−2注入した場合(モデルc)、ゲート絶縁膜31に−3×1013cm−2、AlGaN層11のゲート電極34直下に−1×1013cm−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−1×1013cm−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Vgとドレイン電流Idの関係のシミュレーション結果である。ドレイン電圧Vdsは10Vとした。
8 shows a case where negative ions are not implanted into the gate insulating film 31 and the AlGaN layer 11 (model a), and a case where negative ions are implanted only into the gate insulating film 31 at −3 × 10 13 cm −2 (model). b) When negative ions are implanted only into the gate insulating film 31 at −5 × 10 13 cm −2 (model c), −3 × 10 13 cm −2 into the gate insulating film 31 and the
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−3×1013cm−2注入した場合(モデルb)はしきい値電圧Vthが約7.5V正の方向にシフトする。しかし、しきい値電圧Vth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−5×1013cm−2注入した場合(モデルc)は、さらにしきい値電圧Vth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。
As shown in FIG. 8, as compared with the case where negative ions are not implanted into the gate insulating film 31 and the AlGaN layer 11 (model a), negative ions are injected only into the gate insulating film 31 at −3 × 10 13 cm. -2 injection (model b) shifts the threshold voltage Vth in the positive direction by about 7.5V. However, the threshold voltage Vth is a negative value, and a normally-off operation cannot be realized.
In addition, when negative ions are implanted only into the gate insulating film 31 at −5 × 10 13 cm −2 (model c), the threshold voltage V th is further shifted in the positive direction, and a substantially normally-off operation can be realized. It is.
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1×1013cm−2ごとにしきい値電圧Vthが約2.5V大きくなることが分かる。 From the above simulation results, it can be seen that the threshold voltage V th increases by about 2.5 V for each negative ion amount of 1 × 10 13 cm −2 implanted into the gate insulating film 31.
一方、ゲート絶縁膜31に−3×1013cm−2、AlGaN層11のゲート電極34直下に−1×1013cm−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−3×1013cm−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Vthが約7.5V正の方向に移動し、約5Vのしきい値電圧Vthが得られ、ノーマリオフ動作が実現できることが分かる。
On the other hand, when negative ions of −3 × 10 13 cm −2 and −1 × 10 13 cm −2 are implanted directly under the
また、AlGaN層11のゲート電極34直下にのみ−1×1013cm−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Vth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−1×1013cm−2の負のイオンを注入することでしきい値電圧Vthが約7.5V増加することが分かる。
Further, the case where negative ions of −1 × 10 13 cm −2 are implanted only directly under the
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Vg対ドレイン電流Idの傾きは変わらず、大きなドレイン電流Idが得られる。
Also by adding a negative ion immediately below the
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Vg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。
As described above, by injecting a negative ion of an appropriate amount just below the
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。
FIG. 9 shows the simulation result of the two-dimensional electron gas concentration value formed in the GaN layer in the case of the above-described model a, model b, model c, model d, and model e. This is a value when negative ions are implanted into a thickness range of 10 nm immediately below the
As shown in the figure, in the case of model d in which negative ions are implanted into both the gate insulating film 31 and the
As a result, negative ions are implanted into both the gate insulating film 31 and the
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。
In the model d and model e described above, negative ions are implanted directly under the
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。 FIG. 10 is a sectional view (a) showing a schematic configuration of an AlGaN / GaN HFET (1B) according to the second embodiment of the present invention, an energy band diagram (b), and an explanatory diagram (c) of space charge. is there.
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(SiO2)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(SiO2)からなるゲート酸化膜32で構成される。
The AlGaN / GaN HFET (1B) includes a
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。
The floating gate layer 33 is formed of, for example, low resistance polysilicon. Further, the floating gate layer 33 may be formed of a refractory metal selected from Ta, W, Ti, Cr, Nb or the like other than Mo, an alloy material mainly composed of these metals, or a compound material thereof. .
The floating gate layer 33 is a third layer having a negative charge provided between the
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Vth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。
By applying a negative charge due to an appropriate amount of electrons to the floating gate layer 33 in advance by an electron beam or the like and further implanting negative ions into the
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。
As shown in the energy band diagram of FIG. 10B and the space charge explanatory diagram of FIG. 10C, the heterojunction of the
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Vthを正の方向に移動させることが可能である。
A
If the
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Vth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。
The AlGaN / GaN-based HFET (1B) according to the second embodiment also applies a negative charge to the floating gate layer 33 and the
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。 The present invention is not limited to the embodiment described above, and various modifications are possible, and these are also included in the technical scope of the present invention.
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。
In each of the above embodiments, an AlGaN / GaN HFET has been described as an example of a nitride semiconductor heterojunction field effect transistor, but the present invention is not limited to this configuration. For example, a first nitride semiconductor having a wide band gap on the
また、AlGaN層11上のゲート絶縁膜31はSiO2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1013cm−2程度)より十分少なくなるよう(例えば1011cm−2以下)に制御されていれば、窒化Si膜(SiNx)やAl2O3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。
The gate insulating film 31 on the
Further, in each of the above embodiments, the
In each of the above embodiments, the present invention can also be applied to a nitride-based semiconductor heterojunction field effect transistor having a structure in which a buffer layer such as AlN is provided between the
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
1A, 1B ... AlGaN / GaN heterojunction field effect transistor (HFET)
9 .........
22 ... Drain electrode (D)
31 ......... Gate insulating film 32 ......... Gate insulating film 33 ......... Floating
40... Negative ions in the insulating film 41... Negative ions in the
Claims (9)
制御ゲート電極と窒化物系半導体の間に負の電荷を有する第三の層を有し、
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。 In a nitride semiconductor field effect transistor having a heterojunction interface as a channel,
A third layer having a negative charge between the control gate electrode and the nitride-based semiconductor;
A nitride semiconductor field effect transistor comprising negative ions in the nitride semiconductor forming the heterojunction.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009158951A JP5554024B2 (en) | 2009-07-03 | 2009-07-03 | Nitride semiconductor field effect transistor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009158951A JP5554024B2 (en) | 2009-07-03 | 2009-07-03 | Nitride semiconductor field effect transistor |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2011014789A true JP2011014789A (en) | 2011-01-20 |
JP5554024B2 JP5554024B2 (en) | 2014-07-23 |
Family
ID=43593386
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2009158951A Expired - Fee Related JP5554024B2 (en) | 2009-07-03 | 2009-07-03 | Nitride semiconductor field effect transistor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5554024B2 (en) |
Cited By (14)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012227490A (en) * | 2011-04-22 | 2012-11-15 | Toyota Central R&D Labs Inc | Semiconductor device and manufacturing method thereof |
JP2012234926A (en) * | 2011-04-28 | 2012-11-29 | Sanken Electric Co Ltd | Semiconductor device |
CN103000682A (en) * | 2011-09-12 | 2013-03-27 | 株式会社东芝 | Nitride semiconductor device |
KR101395374B1 (en) | 2012-09-25 | 2014-05-14 | 홍익대학교 산학협력단 | Nonvolatile memory device and method of fabricating the same |
KR101439015B1 (en) | 2012-03-29 | 2014-09-05 | 후지쯔 가부시끼가이샤 | Semiconductor device and method for manufacturing semiconductor device |
US9349828B2 (en) | 2013-05-27 | 2016-05-24 | Fujitsu Limited | Semiconductor device and method of manufacturing semiconductor device |
JP2016524819A (en) * | 2013-06-18 | 2016-08-18 | ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツングRobert Bosch Gmbh | Transistor and transistor manufacturing method |
JP2017092083A (en) * | 2015-11-02 | 2017-05-25 | 富士通株式会社 | Compound semiconductor device and method of manufacturing the same |
CN107240560A (en) * | 2017-05-27 | 2017-10-10 | 西安电子科技大学 | Fluorine injects the measuring method of ionization fluorine ion position in enhanced HEMT device |
US10566451B2 (en) | 2018-03-06 | 2020-02-18 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Semiconductor device, semiconductor device manufacturing method, power supply circuit, and computer |
EP2360728B1 (en) * | 2010-02-12 | 2020-04-29 | Infineon Technologies Americas Corp. | Enhancement mode III-nitride transistors with single gate dielectric structure |
CN112736140A (en) * | 2021-02-08 | 2021-04-30 | 金陵科技学院 | Enhanced AlGaN/GaN high electron mobility transistor based on positive ion implantation |
US11227942B2 (en) | 2018-03-06 | 2022-01-18 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Semiconductor device, method for manufacturing the same, power circuit, and computer |
US12002879B2 (en) | 2020-06-23 | 2024-06-04 | Samsung Electronics Co., Ltd. | High electron mobility transistor and method of manufacturing the same |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002176065A (en) * | 2000-12-08 | 2002-06-21 | Fujitsu Ltd | Method for fabricating semiconductor device |
JP2006156816A (en) * | 2004-11-30 | 2006-06-15 | Sharp Corp | Semiconductor device |
JP2008130672A (en) * | 2006-11-17 | 2008-06-05 | Furukawa Electric Co Ltd:The | Nitride-based semiconductor heterojunction field effect transistor |
JP2008172055A (en) * | 2007-01-12 | 2008-07-24 | Sharp Corp | Nitride semiconductor device and power conversion device using it |
JP2009503874A (en) * | 2005-07-29 | 2009-01-29 | インターナショナル レクティファイアー コーポレイション | Always-off group III nitride semiconductor device with programmable gate |
US20090146185A1 (en) * | 2007-12-10 | 2009-06-11 | Transphorm Inc. | Insulated gate e-mode transistors |
-
2009
- 2009-07-03 JP JP2009158951A patent/JP5554024B2/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002176065A (en) * | 2000-12-08 | 2002-06-21 | Fujitsu Ltd | Method for fabricating semiconductor device |
JP2006156816A (en) * | 2004-11-30 | 2006-06-15 | Sharp Corp | Semiconductor device |
JP2009503874A (en) * | 2005-07-29 | 2009-01-29 | インターナショナル レクティファイアー コーポレイション | Always-off group III nitride semiconductor device with programmable gate |
JP2008130672A (en) * | 2006-11-17 | 2008-06-05 | Furukawa Electric Co Ltd:The | Nitride-based semiconductor heterojunction field effect transistor |
JP2008172055A (en) * | 2007-01-12 | 2008-07-24 | Sharp Corp | Nitride semiconductor device and power conversion device using it |
US20090146185A1 (en) * | 2007-12-10 | 2009-06-11 | Transphorm Inc. | Insulated gate e-mode transistors |
Cited By (16)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP2360728B1 (en) * | 2010-02-12 | 2020-04-29 | Infineon Technologies Americas Corp. | Enhancement mode III-nitride transistors with single gate dielectric structure |
JP2012227490A (en) * | 2011-04-22 | 2012-11-15 | Toyota Central R&D Labs Inc | Semiconductor device and manufacturing method thereof |
JP2012234926A (en) * | 2011-04-28 | 2012-11-29 | Sanken Electric Co Ltd | Semiconductor device |
CN103000682A (en) * | 2011-09-12 | 2013-03-27 | 株式会社东芝 | Nitride semiconductor device |
KR101439015B1 (en) | 2012-03-29 | 2014-09-05 | 후지쯔 가부시끼가이샤 | Semiconductor device and method for manufacturing semiconductor device |
US8846479B2 (en) | 2012-03-29 | 2014-09-30 | Fujitsu Limited | Semiconductor device and method for manufacturing semiconductor device |
KR101395374B1 (en) | 2012-09-25 | 2014-05-14 | 홍익대학교 산학협력단 | Nonvolatile memory device and method of fabricating the same |
US9349828B2 (en) | 2013-05-27 | 2016-05-24 | Fujitsu Limited | Semiconductor device and method of manufacturing semiconductor device |
JP2016524819A (en) * | 2013-06-18 | 2016-08-18 | ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツングRobert Bosch Gmbh | Transistor and transistor manufacturing method |
JP2017092083A (en) * | 2015-11-02 | 2017-05-25 | 富士通株式会社 | Compound semiconductor device and method of manufacturing the same |
CN107240560A (en) * | 2017-05-27 | 2017-10-10 | 西安电子科技大学 | Fluorine injects the measuring method of ionization fluorine ion position in enhanced HEMT device |
US10566451B2 (en) | 2018-03-06 | 2020-02-18 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Semiconductor device, semiconductor device manufacturing method, power supply circuit, and computer |
US11227942B2 (en) | 2018-03-06 | 2022-01-18 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Semiconductor device, method for manufacturing the same, power circuit, and computer |
US11894452B2 (en) | 2018-03-06 | 2024-02-06 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Semiconductor device, method for manufacturing the same, power circuit, and computer |
US12002879B2 (en) | 2020-06-23 | 2024-06-04 | Samsung Electronics Co., Ltd. | High electron mobility transistor and method of manufacturing the same |
CN112736140A (en) * | 2021-02-08 | 2021-04-30 | 金陵科技学院 | Enhanced AlGaN/GaN high electron mobility transistor based on positive ion implantation |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP5554024B2 (en) | 2014-07-23 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5554024B2 (en) | Nitride semiconductor field effect transistor | |
US7723752B2 (en) | Nitride semiconductor heterojunction field effect transistor | |
JP5785153B2 (en) | Compensated gate MISFET and manufacturing method thereof | |
US7655962B2 (en) | Enhancement mode insulated gate heterostructure field-effect transistor with electrically isolated RF-enhanced source contact | |
CN105374867B (en) | Normally-off compound semiconductor tunnel transistor | |
US8853709B2 (en) | III-nitride metal insulator semiconductor field effect transistor | |
JP5670427B2 (en) | Dopant diffusion modulation in GaN buffer layers | |
CN118661266A (en) | N-polar device with improved conductivity including depletion layer | |
WO2009113612A1 (en) | Semiconductor device | |
JP5534661B2 (en) | Semiconductor device | |
JP5087240B2 (en) | Manufacturing method of nitride semiconductor device | |
JP2008235613A (en) | Semiconductor device | |
KR20100015747A (en) | Cascode circuit employing a depletion-mode, gan-based fet | |
JPWO2011118098A1 (en) | Field effect transistor, method of manufacturing field effect transistor, and electronic device | |
CN104241350A (en) | Gate stack for normally-off compound semiconductor transistor | |
JP2010206125A (en) | Gallium nitride-based high electron mobility transistor | |
JP2018186127A (en) | Semiconductor device, power supply circuit, and computer | |
JP2007329483A (en) | Enhancement mode field effect device, and manufacturing method thereof | |
CN110754002B (en) | High electron mobility transistor | |
JP2007173426A (en) | Semiconductor device | |
JP2010153748A (en) | Method of manufacturing field effect semiconductor device | |
JP5732228B2 (en) | Manufacturing method of nitride semiconductor device | |
Hasegawa et al. | Proposal and simulated results of a normally off AlGaN/GaN HFET structure with a charged floating gate | |
CN116457946A (en) | Impurity reduction technique in gallium nitride regrowth | |
JP2012049169A (en) | Nitride semiconductor device and method of manufacturing the same |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20120402 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20131031 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20131105 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20131227 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20140513 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20140528 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |