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JP2021044464A - Nitride semiconductor transistor device - Google Patents

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JP2021044464A JP2019166835A JP2019166835A JP2021044464A JP 2021044464 A JP2021044464 A JP 2021044464A JP 2019166835 A JP2019166835 A JP 2019166835A JP 2019166835 A JP2019166835 A JP 2019166835A JP 2021044464 A JP2021044464 A JP 2021044464A
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章伸 寺本
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理人 黒田
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Tomoyuki Suwa
智之 諏訪
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理一郎 白田
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Shinichiro Takatani
信一郎 高谷
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Abstract

To provide a normally-off nitride semiconductor transistor device with excellent performance as a switch.SOLUTION: A nitride semiconductor transistor device includes a substrate 101, an element separation region 114 provided on the substrate, a first nitride semiconductor layer 103 provided on the substrate, a second nitride semiconductor layer 104 provided on the first nitride semiconductor layer and having a larger band gap than the first nitride semiconductor layer, a first insulating film 110 provided on the second nitride semiconductor layer, a charge accumulation gate electrode 111 provided on the first insulating film, a second insulating film 112 provided on the charge accumulation gate electrode, a first gate electrode 116 provided on the second insulating film, a source electrode 109 and a drain electrode 210 provided on the second nitride semiconductor layer with the charge accumulation gate electrode held therebetween in a plane direction, a third insulating film 115 provided on the charge accumulation gate electrode, and a second gate electrode 117 provided on the third insulating film.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、窒化物半導体トランジスタ装置に係り、特に、電界効果型窒化物半導体トランジスタにおいて、ゲート電極への電圧印加のない状態でゲート電極下の導電チャネルが実質的にオフ状態となる、所謂、ノーマリオフを実現する窒化物半導体トランジスタ装置に関する。 The present invention relates to a nitride semiconductor transistor device, and in particular, in a field effect nitride semiconductor transistor, the conductive channel under the gate electrode is substantially turned off without applying a voltage to the gate electrode, so-called. The present invention relates to a nitride semiconductor transistor apparatus that realizes normalization.

窒化物半導体であるGaN、AlN、InN、或はこれらの混晶からなる半導体は、広いバンドギャップを有し、かつ、伝導電子が高いキャリア移動度を有するため、高電圧高出力電子デバイスに好適である。特に、窒化物半導体により作製された電界効果型トランジスタ(FET、Field-Effect Transistor)、その一形態であるAlGaN/GaN等の半導体ヘテロ接合界面に誘起される伝導電子を導電チャネルに用いる高電子移動度トランジスタ(HEMT、High Electron Mobility Transistor)は、高電圧、大電流、低オン抵抗動作が可能であり、高出力電力増幅器や大電力スイッチング素子として用いられている。 Nitride semiconductors such as GaN, AlN, InN, or a semiconductor composed of a mixture of these have a wide bandgap and conduction electrons have high carrier mobility, and are therefore suitable for high-voltage and high-power electronic devices. Is. In particular, high electron transfer using conduction electrons induced in semiconductor heterojunction interfaces such as field-effect transistors (FETs, Field-Effect Transistors) made of nitride semiconductors and AlGaN / GaN, which is a form thereof, as conductive channels. High Electron Mobility Transistors (HEMTs) are capable of high voltage, high current, and low on-resistance operation, and are used as high output power amplifiers and high power switching elements.

しかしながら、通常の窒化物半導体FETは、ゲート電極への電圧印加がない状態でゲート電極下の導電チャネルがオン状態となる、所謂、ノーマリオンである。電源等の装置で用いられるスイッチング素子としては、誤動作や故障等によりゲート電極に印加される制御電圧が失われた際にはスイッチが開となってしまうため、装置全体の破壊につながるなど、安全性の観点から好ましくない。 However, a normal nitride semiconductor FET is a so-called normalion in which the conductive channel under the gate electrode is turned on without applying a voltage to the gate electrode. As a switching element used in devices such as power supplies, the switch opens when the control voltage applied to the gate electrode is lost due to malfunction or failure, which leads to the destruction of the entire device, which is safe. Not preferable from the viewpoint of sex.

このため、窒化物半導体FETをノーマリオフ化する技術がいくつか開発されてきた。その一技術として、FETのゲート直下にp型窒化物半導体層を挿入してpn接合型のゲート電極とすることにより、ノーマリオフ動作を実現する方法が知られている(非特許文献1参照)。この技術では、ゲート電極の動作範囲は、半導体のバンドギャップで決まるフラットバンド電圧で制限される。このため、閾値を正の電圧とした場合、その値は2V以下に留まり、通常の電源装置では3V以上の正の閾値が望まれるのに対し、十分な閾値が得られない。また、ゲート電圧に印加できる正電圧は、pn接合のオン電圧で制限されるため、ゲートの動作電圧振幅が小さくなり、FETがオン状態で導電チャネルに流すことのできる電流が制限される。 Therefore, some techniques for normalizing the nitride semiconductor FET have been developed. As one of the techniques, a method of realizing a normalization-off operation by inserting a p-type nitride semiconductor layer directly under the gate of the FET to form a pn junction type gate electrode is known (see Non-Patent Document 1). In this technique, the operating range of the gate electrode is limited by the flat band voltage determined by the band gap of the semiconductor. Therefore, when the threshold value is a positive voltage, the value stays at 2 V or less, and a positive threshold value of 3 V or more is desired in a normal power supply device, whereas a sufficient threshold value cannot be obtained. Further, since the positive voltage that can be applied to the gate voltage is limited by the on-voltage of the pn junction, the operating voltage amplitude of the gate becomes small, and the current that can be passed through the conductive channel while the FET is on is limited.

ノーマリオフを実現する他の方法としては、FETのゲート直下に絶縁膜を挿入し、金属/絶縁物/半導体(MIS、Metal-Insulator-Semiconductor)接合型のゲート電極とする方法が知られている(非特許文献2参照)。この方法では、ゲート金属下に絶縁物が存在するため、ゲート電極を流れる漏えい電流を低く抑えることができ、大きな正のゲート電圧の印加が可能となる。このため、ゲート電極にpn接合を用いる場合に比べ、閾値電圧を大きな正の値とした場合でもゲートの動作電圧振幅を十分に大きく取ることができる。 As another method for realizing normalization, a method is known in which an insulating film is inserted directly under the gate of the FET to form a metal / insulator / semiconductor (MIS, Metal-Insulator-Semiconductor) junction type gate electrode (. See Non-Patent Document 2). In this method, since the insulator exists under the gate metal, the leakage current flowing through the gate electrode can be suppressed to a low level, and a large positive gate voltage can be applied. Therefore, as compared with the case where a pn junction is used for the gate electrode, the operating voltage amplitude of the gate can be sufficiently large even when the threshold voltage is set to a large positive value.

図6に従来のMIS型ゲート電極を有するGaN FETの主要部分の断面構造を示す。基板1001の材料には、シリコンカーバイド(SiC)、シリコン(Si)、サファイア、GaNなどが用いられる。この基板1001上に、エピタキシャル成長により形成したバッファ層1002、GaN層1003、AlGaN層1004が順次積層されている。ゲート電極形成部のAlGaN層1004はリセスエッチングにより一部除去されている。リセスエッチング部1006内に絶縁膜1005をはさんでゲート電極1007が形成される。さらにソース電極1008、ドレイン電極1009を形成すれば、GaN HEMTの主要部分が完成する。絶縁膜1005の材料としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化シリコン、窒化シリコン、或は従来知られているその他のゲート絶縁物材料が用いられる。GaN層1003とGaN層1003よりバンドギャップの大きいAlGaN層1004との界面のGaN層1003側に誘起される伝導電子により、導電チャネル1010が形成される。導電チャネル1010のゲート電極1007直下における伝導電子密度をゲート電極1007に印加する電圧で変化させることにより、トランジスタ動作が得られる。この従来例のFETは、AlGaN/GaN半導体ヘテロ界面に形成される導電チャネルを用いており、所謂、HEMTと呼ばれるFETの一種である。 FIG. 6 shows a cross-sectional structure of a main part of a GaN FET having a conventional MIS type gate electrode. As the material of the substrate 1001, silicon carbide (SiC), silicon (Si), sapphire, GaN and the like are used. A buffer layer 1002, a GaN layer 1003, and an AlGaN layer 1004 formed by epitaxial growth are sequentially laminated on the substrate 1001. The AlGaN layer 1004 of the gate electrode forming portion is partially removed by recess etching. A gate electrode 1007 is formed in the recess etching portion 1006 with the insulating film 1005 sandwiched between them. Further, if the source electrode 1008 and the drain electrode 1009 are formed, the main part of the GaN HEMT is completed. As the material of the insulating film 1005, for example, aluminum oxide, silicon oxide, silicon nitride, or other conventionally known gate insulating materials are used. The conductive channel 1010 is formed by the conduction electrons induced on the GaN layer 1003 side of the interface between the GaN layer 1003 and the AlGaN layer 1004 having a bandgap larger than that of the GaN layer 1003. Transistor operation can be obtained by changing the conduction electron density immediately below the gate electrode 1007 of the conductive channel 1010 with the voltage applied to the gate electrode 1007. This conventional FET uses a conductive channel formed at the AlGaN / GaN semiconductor hetero interface, and is a kind of so-called HEMT.

図7に別の従来例のMIS型ゲート電極を有するGaN FETの主要部分の断面構造を示す。図6に示した従来例と同様に、基板1101の材料には、シリコンカーバイド(SiC)、シリコン(Si)、サファイア、GaNなどが用いられる。基板1101上に、エピタキシャル成長により形成したバッファ層1102、GaN層1103、AlGaN層1104が順次積層されている。また絶縁膜1105の材料としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化シリコン、窒化シリコン、或は従来知られるその他のゲート絶縁物材料が用いられる。この従来例の図6に示した従来例との相違点は、リセスエッチング部1106が深く、その底部がAlGaN層1104を貫通してGaN層1103に達している点である。ソース電極1108とゲート電極1107との間、およびドレイン電極1109とゲート電極1107との間はAlGaN/GaN界面に形成される導電チャネル1110で電気的に接続され、ゲート電極直下の導電チャネル1111は絶縁膜1105とGaN層1103との界面に誘起される伝導電子により形成される。この伝導電子の密度をゲート電極1107に印加する電圧で変化させることによりトランジスタ動作が得られる。 FIG. 7 shows the cross-sectional structure of the main part of the GaN FET having another conventional MIS type gate electrode. Similar to the conventional example shown in FIG. 6, silicon carbide (SiC), silicon (Si), sapphire, GaN and the like are used as the material of the substrate 1101. The buffer layer 1102, the GaN layer 1103, and the AlGaN layer 1104 formed by epitaxial growth are sequentially laminated on the substrate 1101. Further, as the material of the insulating film 1105, for example, aluminum oxide, silicon oxide, silicon nitride, or other conventionally known gate insulating materials are used. The difference from the conventional example shown in FIG. 6 of this conventional example is that the recess etching portion 1106 is deep, and the bottom portion thereof penetrates the AlGaN layer 1104 and reaches the GaN layer 1103. The source electrode 1108 and the gate electrode 1107 and the drain electrode 1109 and the gate electrode 1107 are electrically connected by a conductive channel 1110 formed at the AlGaN / GaN interface, and the conductive channel 1111 directly under the gate electrode is insulated. It is formed by conduction electrons induced at the interface between the film 1105 and the GaN layer 1103. Transistor operation can be obtained by changing the density of the conduction electrons with the voltage applied to the gate electrode 1107.

Y. Umemoto et al., IEEE Transactions on Electron Devices Volume 54, Number 12, December 2007, p.3393.Y. Umemoto et al. , IEEE Transitions on Electron Devices Volume 54, Number 12, December 2007, p. 3393. M.Kanamura et al.,IEEE Electron Device Letters, Volume 31, Number 3, March 2010, p.189.M. Kanamura et al. , IEEE Electronics Letters, Volume 31, Number 3, March 2010, p. 189. Bongmook Lee,et al,International Electron Device Meeting,2010, P.484.Bongmook Lee, et al, International Electrical Device Meeting, 2010, P.M. 484.

図6に示した従来例において、ゲート電極部にリセスエッチング部1006を形成する目的は、FETの閾値電圧を正の値とすることによりノーマリオフとすることである。従来の電子デバイスに用いられる窒化物半導体は六方晶系結晶構造を有し、エピタキシャル成長の容易性から通常c軸方向に成長した層が用いられる。この場合、AlGaN層1004内には面に直交する方向(c軸方向)に沿って基板方向にピエゾ分極と自発分極に起因する大きな分極が発生する。 In the conventional example shown in FIG. 6, the purpose of forming the recess etching portion 1006 on the gate electrode portion is to normalize off by setting the threshold voltage of the FET to a positive value. Nitride semiconductors used in conventional electronic devices have a hexagonal crystal structure, and a layer grown in the c-axis direction is usually used because of the ease of epitaxial growth. In this case, large polarization due to piezo polarization and spontaneous polarization occurs in the AlGaN layer 1004 in the substrate direction along the direction orthogonal to the plane (c-axis direction).

図8(a)および図8(b)にゲート電極下部の半導体層のバンド図を示す。このバンド図は、ゲートに電圧が印加されていない場合について示したものである。図8(b)は、図8(a)の構造に比べ、AlGaN層1004の厚さを薄くした場合である。図8(a)および図8(b)において、AlGaN層1004内に存在する分極(P)1202により、伝導帯下端1201のエネルギー値はゲート電極から離れるにつれて低下する。このため、図8(a)に示したように、AlGaN層1004の厚さが厚いと、AlGaN層1004とGaN層1003の接触界面の三角形状のポテンシャル井戸に形成される基底量子準位がフェルミ準位1203(図中「EF」と表示)より下に位置するようになり、伝導電子が量子井戸内に誘起されて導電チャネル1010が形成される。ゲート電圧を印加しない状態で導電チャネルに誘起される伝導電子を実質的にゼロとしてノーマリオフとするには、AlGaN層1004の厚さを図8(b)に示したように薄くする必要がある。 8 (a) and 8 (b) show band diagrams of the semiconductor layer below the gate electrode. This band diagram shows the case where no voltage is applied to the gate. FIG. 8B shows a case where the thickness of the AlGaN layer 1004 is made thinner than that of the structure of FIG. 8A. In FIGS. 8 (a) and 8 (b), the energy value of the lower end of the conduction band 1201 decreases as the distance from the gate electrode increases due to the polarization (P) 1202 existing in the AlGaN layer 1004. Therefore, as shown in FIG. 8A, when the thickness of the AlGaN layer 1004 is thick, the basal quantum level formed in the triangular potential well at the contact interface between the AlGaN layer 1004 and the GaN layer 1003 is Fermi. It is located below the level 1203 (indicated as "EF" in the figure), and conduction electrons are induced in the quantum well to form the conduction channel 1010. In order to make the conduction electrons induced in the conductive channel substantially zero and normalize off without applying the gate voltage, it is necessary to reduce the thickness of the AlGaN layer 1004 as shown in FIG. 8 (b).

非特許文献2に記載されているように、例えばAlGaN層1004のAlN混晶比、即ち、化学組成をAlxGa1-xNと表記した時のxが20%の場合、ゲート電極1007下部のAlGaN層1004の厚さは2ナノメータ程度とする必要がある。xが大きくなると、AlGaN層1004をさらに薄くする必要がある。一方、図6において、ソース電極1008とゲート電極1007、およびドレイン電極1009とゲート電極1007との間の領域では、AlGaN層1004の厚さは10ナノメータ程度、或はそれ以上とし、十分な量の伝導電子をAlGaN/GaN界面の導電チャネル1010に誘起し、この領域の抵抗を下げる必要がある。このため、図6に示したように、あらかじめ厚いAlGaN層1004を成長させ、ゲート電極を形成する部分のみリセスエッチングしてAlGaN層を薄くする必要がある。しかし、エッチング後の残りのAlGaN層の厚さによって閾値電圧が変わるため、実際にトランジスタを製造する場合においては、リセスエッチング部1006のエッチング深さを厳密に制御しなければならず、基板1001上に一括して多数のトランジスタを作成する場合、エッチング量の面内ばらつきを抑えることが困難であった。 As described in Non-Patent Document 2, for example, when the AlN mixed crystal ratio of the AlGaN layer 1004, that is, x when the chemical composition is expressed as Al x Ga 1-x N is 20%, the lower part of the gate electrode 1007. The thickness of the AlGaN layer 1004 of the above needs to be about 2 nanometers. As x increases, the AlGaN layer 1004 needs to be made even thinner. On the other hand, in FIG. 6, in the region between the source electrode 1008 and the gate electrode 1007, and the drain electrode 1009 and the gate electrode 1007, the thickness of the AlGaN layer 1004 is about 10 nanometers or more, which is a sufficient amount. It is necessary to induce conduction electrons in the conductive channel 1010 at the AlGaN / GaN interface to reduce the resistance in this region. Therefore, as shown in FIG. 6, it is necessary to grow the thick AlGaN layer 1004 in advance and recess-etch only the portion forming the gate electrode to thin the AlGaN layer. However, since the threshold voltage changes depending on the thickness of the remaining AlGaN layer after etching, when actually manufacturing a transistor, the etching depth of the recess etching section 1006 must be strictly controlled, and the etching depth must be strictly controlled on the substrate 1001. When a large number of transistors are manufactured all at once, it is difficult to suppress in-plane variation in the etching amount.

図6に示した従来例にはさらに別の問題点がある。通常、窒化物半導体と絶縁物との界面には、窒化物半導体の伝導帯下端から数百ミリ電子ボルトの範囲に多数のトラップ準位が存在する。図8(c)は、AlGaN層1004を十分に薄くし、トランジスタをノーマリオフとした場合において、ゲート電極1007に正のゲート電圧1205(図中「V」と表示)を印加し、伝導電子を導電チャネル1010に誘起した状態を示すバンド図であるが、絶縁膜1005とAlGaN層1004との界面にトラップ準位1204が存在するため、正のゲート電圧1205を印加した際、フェルミ準位1203がトラップ準位1204によって固定され、正のゲート電圧1205による導電チャネル1010内への伝導電子の誘起が阻害される。その結果、オン抵抗が下がらず、かつオン電流が上がらず、スイッチとしての性能が著しく低下する。 The conventional example shown in FIG. 6 has yet another problem. Usually, at the interface between the nitride semiconductor and the insulator, a large number of trap levels exist in the range of several hundred millielectronvolts from the lower end of the conduction band of the nitride semiconductor. In FIG. 8C, when the AlGaN layer 1004 is sufficiently thinned and the transistor is normalized off, a positive gate voltage 1205 (indicated as “V” in the figure) is applied to the gate electrode 1007 to conduct conductive electrons. Although it is a band diagram showing the state induced in the channel 1010, since the trap level 1204 exists at the interface between the insulating film 1005 and the AlGaN layer 1004, the Fermi level 1203 traps when a positive gate voltage 1205 is applied. It is fixed by level 1204 and inhibits the induction of conducted electrons into the conductive channel 1010 by the positive gate voltage 1205. As a result, the on-resistance does not decrease and the on-current does not increase, and the performance as a switch is significantly deteriorated.

一方、図7に示した従来例では、図6の場合と異なり、リセスエッチング部1106はAlGaN層1104を貫通しGaN層1103に達している。従って、AlGaN層1004の分極の影響を避けることができ、エッチング後のAlGaN層の厚さの制御の問題はなくなる。しかしながら、絶縁膜1105とGaN層1103との界面に形成される導電チャネル1111内の伝導電子の移動度は、AlGaN/GaN界面の伝導電子の移動度に比べて数分の1と小さい。このため、図6に示した所謂HEMTに比べ、トランジスタの性能が大幅に低下する問題があった。また、この従来例においても、図6に示した従来例と同様に、絶縁膜1105とGaN層1103との界面に存在するトラップ準位が導電チャネル1111の伝導電子の蓄積を阻害し、オン抵抗が下がらず、かつオン電流が上がらず、スイッチとしての性能が劣化する問題があった。 On the other hand, in the conventional example shown in FIG. 7, unlike the case of FIG. 6, the recess etching portion 1106 penetrates the AlGaN layer 1104 and reaches the GaN layer 1103. Therefore, the influence of the polarization of the AlGaN layer 1004 can be avoided, and the problem of controlling the thickness of the AlGaN layer after etching is eliminated. However, the mobility of the conduction electrons in the conductive channel 1111 formed at the interface between the insulating film 1105 and the GaN layer 1103 is as small as a fraction of the mobility of the conduction electrons at the AlGaN / GaN interface. Therefore, there is a problem that the performance of the transistor is significantly lowered as compared with the so-called HEMT shown in FIG. Further, also in this conventional example, as in the conventional example shown in FIG. 6, the trap level existing at the interface between the insulating film 1105 and the GaN layer 1103 inhibits the accumulation of conductive electrons in the conductive channel 1111 and causes on-resistance. However, there was a problem that the on-current did not increase and the performance as a switch deteriorated.

別の従来技術として非特許文献3には、窒化物半導体FETのゲート電極下に電荷蓄積用電極を設けた構造を用いることにより、ノーマリオフ動作を実現する方法が記載されている。その方法によりノーマリオフを可能とする窒化物半導体FETは、基板上に設けられた第1の窒化物半導体層と、第1の窒化物半導体層上に設けられた、第1の窒化物半導体層よりバンドギャップの大きい第2の窒化物半導体層を有し、その上に設けられたゲート絶縁膜(以下、第1の絶縁膜と呼ぶ)と、第1の絶縁膜上に設けられた電荷蓄積用ゲート電極を有し、電荷蓄積用ゲート電極上にはブロック絶縁膜を介して制御用のゲート電極が設けられる。また、面方向に電荷蓄積用ゲート電極を挟んで第2の窒化物半導体層上にソース電極及びドレイン電極が設けられる。電荷蓄積用ゲート電極に第2の窒化物半導体層から電子を注入して、電荷蓄積用ゲート電極に負の電荷を蓄積することによって、ソース電極とドレイン電極との間をノーマリオフとすることができる。動作時には、導電チャンネルを通過してソース電極とドレイン電極との間で流れる電流を、制御用ゲート電極に印加する電圧で制御する。 As another prior art, Non-Patent Document 3 describes a method of realizing a normalization-off operation by using a structure in which a charge storage electrode is provided under a gate electrode of a nitride semiconductor FET. The nitride semiconductor FET that enables normalization by this method is obtained from the first nitride semiconductor layer provided on the substrate and the first nitride semiconductor layer provided on the first nitride semiconductor layer. It has a second nitride semiconductor layer with a large band gap, and has a gate insulating film (hereinafter referred to as the first insulating film) provided on the second nitride semiconductor layer and a charge storage film provided on the first insulating film. It has a gate electrode, and a control gate electrode is provided on the charge storage gate electrode via a block insulating film. Further, a source electrode and a drain electrode are provided on the second nitride semiconductor layer with the charge storage gate electrode interposed therebetween in the plane direction. By injecting electrons from the second nitride semiconductor layer into the charge storage gate electrode and accumulating negative charges in the charge storage gate electrode, the space between the source electrode and the drain electrode can be normalized. .. During operation, the current flowing between the source electrode and the drain electrode through the conductive channel is controlled by the voltage applied to the control gate electrode.

しかしながら、上記のような従来の構造では、実際には第2の窒化物半導体層から電荷蓄積用ゲート電極への電子の注入が阻害されて充分な量の電子を電荷蓄積用ゲート電極に蓄積することができず、実用に至らないことが判明した。これは以下の理由による。電荷蓄積用ゲート電極に電子を注入するには、制御用ゲート電極に正の電圧を印加し静電容量結合により電荷蓄積用ゲート電極を第2の窒化物半導体層に対して順方向バイアス状態とすることにより第2の窒化物半導体層内の伝導電子を電荷蓄積用ゲート電極にトンネリングさせる必要がある。しかし、第2の窒化物半導体層と第1の絶縁膜との界面に存在するトラップ準位でフェルミ準位が固定されてしまい、順方向バイアス電圧が第2の窒化物半導体層に伝わらず、注入に必要な電子が第2の窒化物半導体層内に誘起されない。また、電子注入時に第1の絶縁膜に高い電界が印加されることによってデバイス信頼性に影響が及ぶこと、閾値保持時間が短いこと、閾値の均一化が困難なこと等の問題点も指摘されている。 However, in the conventional structure as described above, the injection of electrons from the second nitride semiconductor layer into the charge storage gate electrode is actually inhibited, and a sufficient amount of electrons are accumulated in the charge storage gate electrode. It turned out that it could not be put into practical use. This is due to the following reasons. To inject electrons into the charge storage gate electrode, a positive voltage is applied to the control gate electrode and the charge storage gate electrode is placed in a forward bias state with respect to the second nitride semiconductor layer by electrostatic capacitance coupling. By doing so, it is necessary to tunnel the conduction electrons in the second nitride semiconductor layer to the charge storage gate electrode. However, the Fermi level is fixed at the trap level existing at the interface between the second nitride semiconductor layer and the first insulating film, and the forward bias voltage is not transmitted to the second nitride semiconductor layer. The electrons required for injection are not induced in the second nitride semiconductor layer. In addition, it has been pointed out that the device reliability is affected by applying a high electric field to the first insulating film during electron injection, the threshold holding time is short, and it is difficult to make the threshold uniform. ing.

従って、本発明の目的は、上述したような従来の窒化物半導体FETにおける問題点を解決することができるノーマリオフ窒化物半導体トランジスタ装置を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to provide a normally-off nitride semiconductor transistor apparatus capable of solving the problems in the conventional nitride semiconductor FET as described above.

上記課題を解決するための、本願発明による窒化物半導体トランジスタ装置は、基板と、前記基板上に設けられた電気的に不活性な素子分離領域と、前記基板上に設けられた窒化物半導体層と、前記窒化物半導体層上に設けられた第1の絶縁膜と、少なくとも前記第1の絶縁膜上に設けられた電荷蓄積用ゲート電極と、前記電荷蓄積用ゲート電極上に設けられた第2の絶縁膜と、前記第2の絶縁膜上に設けられた第1のゲート電極と、面方向に前記電荷蓄積用ゲート電極を挟んで前記窒化物半導体層上に設けられたソース電極およびドレイン電極と、前記電荷蓄積用ゲート電極上に設けられた第3の絶縁膜と、前記第3の絶縁膜上に設けられた第2のゲート電極とを有するものである。 The nitride semiconductor transistor device according to the present invention for solving the above problems includes a substrate, an electrically inactive element separation region provided on the substrate, and a nitride semiconductor layer provided on the substrate. A first insulating film provided on the nitride semiconductor layer, a charge storage gate electrode provided on at least the first insulating film, and a first charge storage gate electrode provided on the charge storage gate electrode. A source electrode and a drain provided on the nitride semiconductor layer with the insulating film 2 and the first gate electrode provided on the second insulating film, and the charge storage gate electrode sandwiched in the plane direction. It has an electrode, a third insulating film provided on the charge storage gate electrode, and a second gate electrode provided on the third insulating film.

前記窒化物半導体層は、好ましくは前記基板上に設けられた第1の窒化物半導体層と、前記第1の窒化物半導体層上に設けられ、前記第1の窒化物半導体層の少なくとも一部の窒化物半導体よりバンドギャップの大きい窒化物半導体を少なくとも含む第2の窒化物半導体層から成る。 The nitride semiconductor layer is preferably provided on the first nitride semiconductor layer provided on the substrate and at least a part of the first nitride semiconductor layer provided on the first nitride semiconductor layer. It is composed of a second nitride semiconductor layer containing at least a nitride semiconductor having a bandgap larger than that of the nitride semiconductor.

第3の絶縁膜は素子分離領域上に設けられた前記電荷蓄積用ゲート電極上に存し、第2のゲート電極は素子分離領域上において前記第3の絶縁膜上に設けられるのが好ましい。 It is preferable that the third insulating film is provided on the charge storage gate electrode provided on the device separation region, and the second gate electrode is provided on the third insulating film on the device separation region.

本発明の窒化物半導体トランジスタ装置においては、第2のゲート電極と電荷蓄積用ゲート電極の間に電流を流して、電荷蓄積用ゲート電極に電荷を蓄積することにより、電荷蓄積用ゲート電極の電位を変化させる。 In the nitride semiconductor transistor device of the present invention, a current is passed between the second gate electrode and the charge storage gate electrode to store the charge in the charge storage gate electrode, whereby the potential of the charge storage gate electrode is reached. To change.

第2のゲート電極と電荷蓄積用ゲート電極の間に電流を流して、電荷蓄積用ゲート電極に電荷を蓄積する際、第1のゲート電極に電圧を印加して、電荷注入量の制御を容易にするようにしてもよい。 When a current is passed between the second gate electrode and the charge storage gate electrode to store charge in the charge storage gate electrode, a voltage is applied to the first gate electrode to facilitate control of the charge injection amount. You may try to.

本発明の窒化物半導体トランジスタ装置においては、第1のゲート電極と電荷蓄積用ゲート電極間の電気的容量が第2のゲート電極と電荷蓄積用ゲート電極間の電気的容量より大きい事が好ましい。 In the nitride semiconductor transistor apparatus of the present invention, it is preferable that the electrical capacitance between the first gate electrode and the charge storage gate electrode is larger than the electrical capacitance between the second gate electrode and the charge storage gate electrode.

また、第1のゲート電極と電荷蓄積用ゲート電極間の電気的容量が、第2のゲート電極と電荷蓄積用ゲート電極間の電気的容量とソースと電荷蓄積用ゲート電極間の電気的容量とドレインと電荷蓄積用ゲート電極間の電気的容量との総和より大きい、或いは第1のゲート電極と電荷蓄積用ゲート電極間の電気的容量と第2のゲート電極と電荷蓄積用ゲート電極間の電気的容量の総和がソースと電荷蓄積用ゲート電極間の電気的容量とドレインと電荷蓄積用ゲート電極間の電気的容量との総和より大きいことが好ましい。 Further, the electrical capacitance between the first gate electrode and the charge storage gate electrode is the electrical capacitance between the second gate electrode and the charge storage gate electrode, and the electrical capacitance between the source and the charge storage gate electrode. Greater than the sum of the electrical capacitance between the drain and the charge storage gate electrode, or the electrical capacitance between the first gate electrode and the charge storage gate electrode and the electricity between the second gate electrode and the charge storage gate electrode It is preferable that the sum of the target capacitances is larger than the sum of the electrical capacitance between the source and the charge storage gate electrode and the electrical capacitance between the drain and the charge storage gate electrode.

本発明の窒化物半導体トランジスタ装置においては、第2のゲート電極にソース電極及びドレイン電極及び第1のゲート電極より低い電圧を与える事により、第2のゲート電極と電荷蓄積用ゲート電極の間に電流を流し、それにより電荷蓄積用ゲート電極内の電荷を変化させる事が好ましい。 In the nitride semiconductor transistor device of the present invention, by applying a voltage lower than that of the source electrode, the drain electrode and the first gate electrode to the second gate electrode, between the second gate electrode and the charge storage gate electrode. It is preferable to pass a current to change the charge in the charge storage gate electrode.

本発明の窒化物半導体トランジスタ装置は、パッケージに封止される際、第1のゲート電極とドレイン電極とソース電極とに外部ピンをそれぞれ接続させ、第2のゲート電極は外部ピンを接続させないようにしてもよいし、第1のゲート電極と同電位にしてもよい。 In the nitride semiconductor transistor device of the present invention, when the package is sealed, the external pins are connected to the first gate electrode, the drain electrode, and the source electrode, respectively, and the second gate electrode is not connected to the external pins. It may be the same potential as the first gate electrode.

本発明の窒化物半導体トランジスタ装置は、第1のゲート電極が0V以下の時にトランジスタがオフ状態であることを特徴とする。 The nitride semiconductor transistor apparatus of the present invention is characterized in that the transistor is in the off state when the first gate electrode is 0 V or less.

本発明の窒化物半導体トランジスタ装置は、第1のゲート電極と第2のゲート電極が絶縁されていてもよい。 In the nitride semiconductor transistor device of the present invention, the first gate electrode and the second gate electrode may be insulated.

本発明の窒化物半導体トランジスタ装置は、第1のゲート電極と電荷蓄積用ゲート電極で形成される電気的容量が、電荷蓄積用ゲート電極と窒化物半導体層で形成される電気的容量より大きいことが好ましい。 In the nitride semiconductor transistor device of the present invention, the electrical capacitance formed by the first gate electrode and the charge storage gate electrode is larger than the electrical capacitance formed by the charge storage gate electrode and the nitride semiconductor layer. Is preferable.

本発明の窒化物半導体トランジスタ装置は、第1のゲート電極の面積が電荷蓄積用ゲート電極の面積より大きいことが好ましい。 In the nitride semiconductor transistor apparatus of the present invention, it is preferable that the area of the first gate electrode is larger than the area of the charge storage gate electrode.

本発明の窒化物半導体トランジスタ装置は、第1のゲート電極と電荷蓄積用ゲート電極のオーバーラップしている領域が、電荷蓄積用ゲート電極からドレイン電極側に張り出していることが好ましい。 In the nitride semiconductor transistor device of the present invention, it is preferable that the overlapping region of the first gate electrode and the charge storage gate electrode projects from the charge storage gate electrode to the drain electrode side.

本発明の窒化物半導体トランジスタ装置の好ましい一形態においては、第1の窒化物半導体層はGaNで構成され、第2の窒化物半導体層がAlxGa1-xN(0<x≦1)で構成される。GaNとAlxGa1-xNとの界面に誘起される導電チャネルは高い電子移動度を有するため、オン抵抗やオン電流等のスイッチとしての特性に優れるノーマリオフ窒化物半導体トランジスタ装置が得られる。 In a preferred embodiment of the nitride semiconductor transistor apparatus of the present invention, the first nitride semiconductor layer is composed of GaN, and the second nitride semiconductor layer is Al x Ga 1-x N (0 <x ≦ 1). Consists of. Since the conductive channel induced at the interface between GaN and Al x Ga 1-x N has high electron mobility, a normally-off nitride semiconductor transistor apparatus having excellent switch characteristics such as on-resistance and on-current can be obtained.

本発明の窒化物半導体トランジスタ装置の別の好ましい一形態においては、第1の絶縁膜の少なくとも最下層が酸化アルミニウムで構成される。酸化アルミニウムは窒化物半導体層との界面において界面準位を発生しにくいため、第1のゲート電極に印加する正の電圧を増やし、第1の窒化物半導体層と第2の窒化物半導体層との界面に誘起される導電チャネルを流れる電流を増大せしめる際に、第2の窒化物半導体層と第1の絶縁膜との間に存在する界面準位の影響を受け難くなるため、オン抵抗、オン電流などのスイッチとしての特性に優れるノーマリオフ窒化物半導体トランジスタ装置が得られる。 In another preferred embodiment of the nitride semiconductor transistor apparatus of the present invention, at least the bottom layer of the first insulating film is made of aluminum oxide. Since aluminum oxide is unlikely to generate an interface state at the interface with the nitride semiconductor layer, the positive voltage applied to the first gate electrode is increased to form the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer. When increasing the current flowing through the conductive channel induced at the interface of the above, the on-resistance is less affected by the interface state existing between the second nitride semiconductor layer and the first insulating film. A normally-off nitride semiconductor transistor device having excellent characteristics as a switch such as an on-current can be obtained.

本願発明によれば、電荷蓄積用ゲート電極上に第3の絶縁膜を介して第2のゲート電極を設けたことによって、第2のゲート電極から第3の絶縁膜を経由して電子を電荷蓄積用ゲート電極に注入することができ、かかる電子の注入が第1の絶縁膜とは無関係に行われるため、第1の絶縁膜と窒化物半導体層との界面に存在するトラップ準位により窒化物半導体層から電荷蓄積用ゲート電極への電子の注入が阻害され所望量の負電荷を電荷蓄積用ゲート電極に蓄積できない、第1の絶縁膜が電荷注入の際にダメージを受ける、等の従来の構造による問題点が解消され、実用的なノーマリオフ窒化物半導体トランジスタ装置を得ることができる。なお、窒化物半導体層を第1の窒化物半導体層と第2の窒化物半導体層で構成する場合には、第2の窒化物半導体層の厚さを大きくすることにより、第1のゲート電極に印加する正の電圧を増やして導電チャネルを流れる電流を増大せしめる際に、第2の窒化物半導体層と第1の絶縁膜との間に存在する界面準位の影響を受け難くなるため、オン抵抗、オン電流などのスイッチとしての特性に優れるノーマリオフ窒化物半導体トランジスタ装置を得ることができる。 According to the present invention, by providing the second gate electrode on the charge storage gate electrode via the third insulating film, the electrons are charged from the second gate electrode via the third insulating film. Since it can be injected into the storage gate electrode and such electrons are injected independently of the first insulating film, it is nitrided by the trap level existing at the interface between the first insulating film and the nitride semiconductor layer. Conventional methods such as the injection of electrons from the physical semiconductor layer into the charge storage gate electrode is hindered and a desired amount of negative charge cannot be stored in the charge storage gate electrode, and the first insulating film is damaged during charge injection. The problem due to the structure of the above is solved, and a practical normally-off nitride semiconductor transistor device can be obtained. When the nitride semiconductor layer is composed of the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer, the thickness of the second nitride semiconductor layer is increased to increase the thickness of the first gate electrode. When the positive voltage applied to is increased to increase the current flowing through the conductive channel, it is less likely to be affected by the interface level existing between the second nitride semiconductor layer and the first insulating film. A normally-off nitride semiconductor transistor device having excellent switch characteristics such as on-resistance and on-current can be obtained.

本願発明によれば、オン抵抗やオン電流等のスイッチとしての特性に優れ、かつ特性のばらつきの少ないノーマリオフ窒化物半導体トランジスタ装置が得られる。 According to the present invention, a normally-off nitride semiconductor transistor apparatus having excellent characteristics as a switch such as on-resistance and on-current and having little variation in characteristics can be obtained.

図1は、本願発明の実施例によるノーマリオフ窒化物半導体トランジスタ装置を示す平面図およびそのA―A’及びB―B’断面をそれぞれ示す断面図である。FIG. 1 is a plan view showing a normally-off nitride semiconductor transistor apparatus according to an embodiment of the present invention and a cross-sectional view showing AA'and BB' cross sections thereof. 図2は、図1に示したトランジスタ装置の各ノード間容量を示す等価回路図である。(a)は、活性領域に含まれるチャネル領域にチャネルが形成されているときを、(b)は、トランジスタ装置がオフ状態になり、チャネル領域に電子が実質的に居なくなった場合を示している。FIG. 2 is an equivalent circuit diagram showing the capacitance between each node of the transistor device shown in FIG. (A) shows a case where a channel is formed in the channel region included in the active region, and (b) shows a case where the transistor device is turned off and there are substantially no electrons in the channel region. There is. 図3は、本願発明の実施例によるノーマリオフ窒化物半導体トランジスタを複数並列に接続した装置を示す平面図およびそのa―a’及びb―b’断面をそれぞれ示す断面図である。FIG. 3 is a plan view showing an apparatus in which a plurality of normally-off nitride semiconductor transistors are connected in parallel according to an embodiment of the present invention, and cross-sectional views showing aa'and bb' cross sections thereof, respectively. 図4は、本願発明の他の実施例によるノーマリオフ窒化物半導体トランジスタ装置を示す平面図である。FIG. 4 is a plan view showing a normally-off nitride semiconductor transistor apparatus according to another embodiment of the present invention. 図5は、本願発明の他の実施例によるノーマリオフ窒化物半導体トランジスタ装置を示す平面図およびそのA―A’及びB―B’断面をそれぞれ示す断面図である。FIG. 5 is a plan view showing a normally-off nitride semiconductor transistor apparatus according to another embodiment of the present invention, and a cross-sectional view showing AA'and BB' cross sections thereof, respectively. 図6は従来例であるFETの平面図と断面図である。FIG. 6 is a plan view and a cross-sectional view of a conventional FET. 図7は別の従来例であるFETの断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view of another conventional example FET. 図8(a)は従来例であるFETのバンドダイアグラムを示す図である。FIG. 8A is a diagram showing a band diagram of a FET which is a conventional example. 図8(b)は同じく従来例であるFETのバンドダイアグラムを示す図である。FIG. 8B is a diagram showing a band diagram of a FET, which is also a conventional example. 図8(c)は同じく従来例であるFETのバンドダイアグラムを示す図である。FIG. 8C is a diagram showing a band diagram of a FET, which is also a conventional example.

図1に本願発明の一実施例によるFETの平面図とそのA−A’及びB―B’断面図を示す。平面図と断面図とでは縮尺が若干異なっている。基板101上にバッファ層102、GaN層103、AlGaN層104を順次積層する。基板101の材料には、シリコンカーバイド(SiC)、シリコン(Si)、サファイア、GaNなどが用いられる。 FIG. 1 shows a plan view of the FET according to an embodiment of the present invention and a sectional view thereof AA'and BB'. The scale is slightly different between the plan view and the cross-sectional view. The buffer layer 102, the GaN layer 103, and the AlGaN layer 104 are sequentially laminated on the substrate 101. As the material of the substrate 101, silicon carbide (SiC), silicon (Si), sapphire, GaN and the like are used.

次に平面図ないし断面図に示される様に、素子分離領域114をイオン打ち込みによりAlGaN層104、GaN層103ないしバッファ層102を電気的に不活性化することにより形成する。ここで、不活性化処理をしていない領域を活性領域と言う。素子分離領域内のAlGaN層104、さらにその下のGaN層103ないしバッファ層102を除去する方法を用いてもよい。次にフィールド絶縁膜105を形成する。その後、FETのチャネル部分となるチャネル領域106の部分だけフィールド絶縁膜105を除去し、第1の絶縁膜110を形成する。その後、金属あるいは導電性の半導体層により電荷蓄積用ゲート電極111を形成する。このとき、電荷蓄積用ゲート電極111は少なくともチャネル領域106上の第1の絶縁膜110上には存在し、その他、素子分離領域上に存在してもよい。ここで、電荷蓄積用ゲート電極111は実質的に電位が同じになる様に電気的に接続されている複数の材料で形成されてもかまわない。続いて、その上にブロック絶縁膜112を形成する。ブロック絶縁膜112は、電子の流れを実質的に遮断することのできる絶縁膜であり、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、アルミナ膜、酸化ジルコニウム膜、酸化ハフニウム膜、またはそれらの積層膜で構成することができ、厚さはSiO2膜換算で40nm程度が好ましい。その後、フィールド絶縁膜105上で電荷蓄積用ゲート電極111上の一部においてブロック絶縁膜112を除去することにより電荷注入領域113を形成し、当該領域113においては電荷蓄積用ゲート電極111上に、当該領域113以外においてはブロック絶縁膜112上に、トンネル絶縁膜115を形成する。トンネル絶縁膜115は、トンネル電子が流れることのできる絶縁膜であり、例えば酸化シリコン膜で構成し、厚さは例えば20nm、またはそれより薄くする。その後、金属あるいは導電性の半導体層により、第1のゲート電極116と第2のゲート電極117を形成する。第1のゲート電極116は、チャネル領域106の上方を含む電荷蓄積用ゲート電極111の主要部の上方に形成され、第2のゲート電極117は電荷注入領域113において、電荷蓄積用ゲート電極111を素子分離領域114の上方に張り出させた部分の上に、トンネル絶縁膜115に接して形成される。これらのゲート電極116、117を覆うように絶縁膜118を形成した後、ソース形成領域107とドレイン形成領域108の絶縁膜105、110、112、115および118を除去し、金属あるいは金属窒化物等の導電性材料あるいはそれらの積層膜により、ソース電極109とドレイン電極210を形成する。このとき、ソース電極109とドレイン電極210は、AlGaN層104にのみ接していてもGaN層103にも接していてもかまわない。
第1のゲート電極116と電荷蓄積用ゲート電極111のオーバーラップする領域の電流が動作時に十分小さいことが確保できれば、ブロック絶縁膜112を形成せず(従って電荷注入層の領域だけ除去する工程は不要となる)、トンネル絶縁膜115のみを介して第1のゲート電極116と電荷蓄積用ゲート電極111とをオーバーラップさせるようにしてもかまわない。
Next, as shown in the plan view or the cross-sectional view, the device separation region 114 is formed by electrically inactivating the AlGaN layer 104, the GaN layer 103, or the buffer layer 102 by ion implantation. Here, the region that has not been inactivated is referred to as the active region. A method of removing the AlGaN layer 104 in the element separation region and the GaN layer 103 or the buffer layer 102 below the AlGaN layer 104 may be used. Next, the field insulating film 105 is formed. After that, the field insulating film 105 is removed only in the portion of the channel region 106 which is the channel portion of the FET, and the first insulating film 110 is formed. After that, the charge storage gate electrode 111 is formed from a metal or a conductive semiconductor layer. At this time, the charge storage gate electrode 111 may exist at least on the first insulating film 110 on the channel region 106, and may also exist on the element separation region. Here, the charge storage gate electrode 111 may be formed of a plurality of materials that are electrically connected so that the potentials are substantially the same. Subsequently, a block insulating film 112 is formed on the block insulating film 112. The block insulating film 112 is an insulating film capable of substantially blocking the flow of electrons, and is composed of a silicon oxide film, a silicon nitride film, an alumina film, a zirconium oxide film, a hafnium oxide film, or a laminated film thereof. The thickness is preferably about 40 nm in terms of SiO2 film. After that, the charge injection region 113 is formed by removing the block insulating film 112 on a part of the charge storage gate electrode 111 on the field insulating film 105, and in the region 113, on the charge storage gate electrode 111, A tunnel insulating film 115 is formed on the block insulating film 112 in areas other than the region 113. The tunnel insulating film 115 is an insulating film through which tunnel electrons can flow, and is composed of, for example, a silicon oxide film, and has a thickness of, for example, 20 nm or less. After that, the first gate electrode 116 and the second gate electrode 117 are formed by the metal or the conductive semiconductor layer. The first gate electrode 116 is formed above the main portion of the charge storage gate electrode 111 including above the channel region 106, and the second gate electrode 117 provides the charge storage gate electrode 111 in the charge injection region 113. It is formed in contact with the tunnel insulating film 115 on the portion overhanging the element separation region 114. After forming the insulating film 118 so as to cover these gate electrodes 116 and 117, the insulating films 105, 110, 112, 115 and 118 of the source forming region 107 and the drain forming region 108 are removed, and metal or metal nitride or the like is removed. The source electrode 109 and the drain electrode 210 are formed from the conductive material of the above or a laminated film thereof. At this time, the source electrode 109 and the drain electrode 210 may be in contact with only the AlGaN layer 104 or the GaN layer 103.
If it can be ensured that the current in the overlapping region of the first gate electrode 116 and the charge storage gate electrode 111 is sufficiently small during operation, the step of removing only the region of the charge injection layer without forming the block insulating film 112 The first gate electrode 116 and the charge storage gate electrode 111 may be overlapped with each other only through the tunnel insulating film 115 (which is unnecessary).

上記の製造工程について、ソース電極109とドレイン電極210をフィールド絶縁膜105の形成直後に形成し、第1の絶縁膜110から第1のゲート電極116と第2のゲート電極117までの形成を行ってもかまわない。 In the above manufacturing process, the source electrode 109 and the drain electrode 210 are formed immediately after the formation of the field insulating film 105, and the first insulating film 110 to the first gate electrode 116 and the second gate electrode 117 are formed. It doesn't matter.

第2のゲート電極117に、電荷蓄積用ゲート電極111に対して負電圧を印加することにより、電荷注入領域113における両者の間のトンネル絶縁膜115を介して、電子が第2のゲート電極117から電荷蓄積用ゲート電極111に注入される。第1のゲート電極116から見たこのFETの閾値電圧は、電荷蓄積用ゲート電極111の電荷量によって変化する。所望の正の電圧になるように、第2のゲート電極117から電荷蓄積用ゲート電極111に注入する電子数を制御すれば、いわゆるノーマリオフのFETが実現する。 By applying a negative voltage to the second gate electrode 117 with respect to the charge storage gate electrode 111, electrons are transmitted to the second gate electrode 117 through the tunnel insulating film 115 between the two in the charge injection region 113. Is injected into the charge storage gate electrode 111. The threshold voltage of this FET seen from the first gate electrode 116 changes depending on the amount of charge of the charge storage gate electrode 111. A so-called normally-off FET is realized by controlling the number of electrons injected from the second gate electrode 117 into the charge storage gate electrode 111 so as to obtain a desired positive voltage.

ソース電極109と電荷蓄積用ゲート電極111およびドレイン電極210と電荷蓄積用ゲート電極111の間の領域では、AlGaN層104の厚さは10ナノメータ程度、或はそれ以上とし、十分な量の伝導電子をAlGaN/GaN界面の導電チャネルに誘起して、当該領域の抵抗を下げる。AlGaN層104のAlN混晶比、即ち、化学式をAlxGa1-xNと表記した際のxの値は、GaNと格子定数の異なるAlGaNが著しく格子緩和を起こさないように適宜調節する。通常、xは0.1から0.4の間で調節される。電荷蓄積用ゲート電極111は周囲を第1の絶縁膜110とブロック絶縁膜112とトンネル絶縁膜115で覆われ、電気的に浮遊状態となる。よって、パッケージに封止した際は、ソース電極109とドレイン電極210と第1のゲート電極116と第2のゲート電極117のみ外部ピンに接続される。或は第2のゲート電極117をフローティングにして外部ピンには接続せずに封止してもよい。外部ピンへ接続される電極は4つないし3つとなる。 In the region between the source electrode 109 and the charge storage gate electrode 111 and the drain electrode 210 and the charge storage gate electrode 111, the thickness of the AlGaN layer 104 is about 10 nanometers or more, and a sufficient amount of conductive electrons is used. Is induced in the conductive channel at the AlGaN / GaN interface to reduce the resistance in that region. The AlN mixed crystal ratio of the AlGaN layer 104, that is, the value of x when the chemical formula is expressed as Al x Ga 1-x N is appropriately adjusted so that AlGaN having a lattice constant different from that of GaN does not cause significant lattice relaxation. Usually, x is adjusted between 0.1 and 0.4. The charge storage gate electrode 111 is surrounded by a first insulating film 110, a block insulating film 112, and a tunnel insulating film 115, and is electrically in a floating state. Therefore, when the package is sealed, only the source electrode 109, the drain electrode 210, the first gate electrode 116, and the second gate electrode 117 are connected to the external pins. Alternatively, the second gate electrode 117 may be floated and sealed without being connected to an external pin. There are four or three electrodes connected to the external pins.

電荷蓄積用ゲート電極111として、金属層の他、不純物をドープした多結晶シリコンを使うことができる。その場合、不純物は燐、砒素、ボロン等を用いる。 As the charge storage gate electrode 111, in addition to the metal layer, impurity-doped polycrystalline silicon can be used. In that case, phosphorus, arsenic, boron or the like is used as the impurity.

図1に示したFETの各ノード間容量を図2に示す。ブロック絶縁膜112とトンネル絶縁膜115を介して第1のゲート電極116を形成するとき、その面積を十分大きくとれば、電荷蓄積用ゲート電極111と第1のゲート電極116によって形成される容量120は、第2のゲート電極117と電荷蓄積用ゲート電極111で形成される容量121や電荷蓄積用ゲート電極111とソース及びドレインとの間に形成される容量119より大きくなり、第一のゲート電極116と電荷蓄積用ゲート電極111との容量結合を相対的に強くすることができる。このとき、電荷蓄積用ゲート電極111と第1のゲート電極116とのオーバーラップ部分は、素子分離領域114上でもかまわないが、活性領域内においてチャネル領域106からドレイン側に伸ばすことにより、フィールドプレートの役割を果たすことも期待できる。
チャネル領域106にチャネルが形成されているときを(a)、FETがオフ状態になり、チャネル領域106に電子が実質的に居なくなった場合を(b)で表している。第1のゲート電極116と電荷蓄積用ゲート電極111の間に容量120が、第2のゲート電極117と電荷蓄積用ゲート電極111の間に容量121が形成される。一方電荷蓄積用ゲート電極111とソース及びドレインとの間に形成される容量119は、チャネル領域106にチャネルが形成されているとき(図(a))には、電荷蓄積用ゲート電極111とソース-ドレイン間の電荷が蓄積している領域122の間に形成される。一方、チャネル領域106にチャネルが形成されていないとき(図(b))には、GaNは空乏化し、電荷蓄積用ゲート電極111とソース及びドレインとの間に容量123が形成されるが、容量123は容量119に比べて極めて小さくなる。
The capacitance between each node of the FET shown in FIG. 1 is shown in FIG. When the first gate electrode 116 is formed via the block insulating film 112 and the tunnel insulating film 115, if the area is sufficiently large, the capacity 120 formed by the charge storage gate electrode 111 and the first gate electrode 116 is formed. Is larger than the capacitance 121 formed by the second gate electrode 117 and the charge storage gate electrode 111 and the capacitance 119 formed between the charge storage gate electrode 111 and the source and drain, and is larger than the first gate electrode. The capacitive coupling between the 116 and the charge storage gate electrode 111 can be made relatively strong. At this time, the overlapping portion between the charge storage gate electrode 111 and the first gate electrode 116 may be on the element separation region 114, but by extending from the channel region 106 to the drain side in the active region, the field plate It can also be expected to play the role of.
The case where a channel is formed in the channel region 106 is represented by (a), and the case where the FET is turned off and there are substantially no electrons in the channel region 106 is represented by (b). A capacitance 120 is formed between the first gate electrode 116 and the charge storage gate electrode 111, and a capacitance 121 is formed between the second gate electrode 117 and the charge storage gate electrode 111. On the other hand, the capacitance 119 formed between the charge storage gate electrode 111 and the source and drain has the charge storage gate electrode 111 and the source when the channel is formed in the channel region 106 (FIG. (A)). -Formed between regions 122 where charge is accumulated between drains. On the other hand, when no channel is formed in the channel region 106 (FIG. (B)), the GaN is depleted and a capacitance 123 is formed between the charge storage gate electrode 111 and the source and drain, but the capacitance 123 is extremely small compared to the capacity 119.

第1のゲート電極116、ソース電極109、ドレイン電極210の電圧を固定し、それよりも低い電圧を第2のゲート電極117に印加することによって、第2のゲート電極117から電荷蓄積用ゲート電極111に電荷を注入する。本FETを動作させるときの条件、例えば、ソース電極109の電圧が0V、ドレイン電極210の電圧は使用する高電圧、第2のゲート電極117の電圧が0Vのときの第1のゲート電極116から見た閾値電圧Vthは電荷蓄積用ゲート電極111中の電荷量Qthによって決定される。通常、Vthは正電圧に設定される。第2のゲート電極117には第1のゲート電極116、ソース電極109より低い電圧Vinjを印加し総注入量がQthになるまで電圧を印加する。このとき、ソース電圧0V、第2のゲート電極の電圧がVinj、電荷蓄積用ゲート電極111の電荷量がQthのときに、チャネル領域106の電荷が実質的に消えるように第1のゲート電極の電圧を与えておけば、電荷蓄積用ゲート電極111の電荷量がQthになったときに図2の容量119が容量123に変化し、電荷蓄積用ゲート電極111とソース及びドレインとの間の容量結合が弱まるため、電荷蓄積用ゲート電極111と第1のゲート電極116および第2のゲート電極117との間の電圧の絶対値は、きわめて小さくなり、電荷注入が実質的に止まる。 By fixing the voltages of the first gate electrode 116, the source electrode 109, and the drain electrode 210 and applying a lower voltage to the second gate electrode 117, the charge storage gate electrode from the second gate electrode 117 A charge is injected into 111. Conditions for operating this FET, for example, from the first gate electrode 116 when the voltage of the source electrode 109 is 0 V, the voltage of the drain electrode 210 is the high voltage to be used, and the voltage of the second gate electrode 117 is 0 V. The seen threshold voltage Vth is determined by the amount of charge Qth in the charge storage gate electrode 111. Normally, Vth is set to a positive voltage. A voltage Vinj lower than that of the first gate electrode 116 and the source electrode 109 is applied to the second gate electrode 117, and a voltage is applied until the total injection amount reaches Qth. At this time, when the source voltage is 0 V, the voltage of the second gate electrode is Vinj, and the charge amount of the charge storage gate electrode 111 is Qth, the charge of the channel region 106 is substantially extinguished so that the charge of the first gate electrode disappears. If a voltage is applied, the capacity 119 in FIG. 2 changes to the capacity 123 when the amount of charge of the charge storage gate electrode 111 reaches Qth, and the capacity between the charge storage gate electrode 111 and the source and drain. Since the coupling is weakened, the absolute value of the voltage between the charge storage gate electrode 111 and the first gate electrode 116 and the second gate electrode 117 becomes extremely small, and the charge injection is substantially stopped.

電荷注入後、本発明のFETを動作させる場合、ソースドレイン間を流れる電流をオンオフさせるのに必要な第一のゲート電極116に印加する電圧をより小さくするためには、第1のゲート電極116と電荷蓄積用ゲート電極111で形成される容量120がその他の容量より十分大きいことが望ましい。できれば、容量120は、第2のゲート電極117と電荷蓄積用ゲート電極111で形成される容量121に電荷蓄積用ゲート電極111とソース-ドレイン間の電荷が蓄積している領域122の間の容量119を加えたものより大きいことが望ましい。或は第2のゲート電極を第1のゲート電極と同電位にして動作させる場合は容量120と容量121の和を容量119より大きくすることが望ましい。これらは、容量120を形成する第1のゲート電極116と電荷蓄積用ゲート電極111のオ-バーラップする面積が、第2のゲート電極117と電荷蓄積用ゲート電極111がオ-バーラップする面積より大きいことで実現することができ、そのように大きくするための面積は、活性領域内においてチャネル領域106からドレイン電極210側に電荷蓄積用ゲート電極111を拡張し、その上部にブロック絶縁膜112とトンネル絶縁膜115を介して第1ゲート電極116を形成することで実現できる。 When operating the FET of the present invention after charging, the first gate electrode 116 is required to reduce the voltage applied to the first gate electrode 116 required to turn on / off the current flowing between the source and drain. It is desirable that the capacity 120 formed by the charge storage gate electrode 111 is sufficiently larger than the other capacities. If possible, the capacitance 120 is the capacitance between the charge storage gate electrode 111 and the region 122 where the charge between the source and drain is accumulated in the capacitance 121 formed by the second gate electrode 117 and the charge storage gate electrode 111. It is desirable that it is larger than the sum of 119. Alternatively, when the second gate electrode is operated at the same potential as the first gate electrode, it is desirable that the sum of the capacitance 120 and the capacitance 121 be larger than the capacitance 119. In these cases, the area where the first gate electrode 116 forming the capacitance 120 and the charge storage gate electrode 111 overwrap is larger than the area where the second gate electrode 117 and the charge storage gate electrode 111 overwrap. This can be achieved by extending the charge storage gate electrode 111 from the channel region 106 to the drain electrode 210 side in the active region, and the block insulating film 112 and the tunnel above it. This can be achieved by forming the first gate electrode 116 via the insulating film 115.

本発明のFETにおいては、電荷蓄積用ゲート電極111の、素子分離領域114上方に延在させた部分上にトンネル絶縁膜115を介して第2のゲート電極117を設け、この部分すなわち電荷注入領域113において第2のゲート電極117と電荷蓄積用ゲート電極111の間に電流を流して、電荷蓄積用ゲート電極111に電荷を蓄積することにより、電荷蓄積用ゲート電極の電位を変化させる。従って、かかる電荷注入の影響が第1の絶縁膜110に及ぶことがなく、第1の絶縁膜110が電荷注入の際にダメージを受ける等の従来の構造による問題点が解消され、実用的なノーマリオフ窒化物半導体FETを得ることができる。 In the FET of the present invention, a second gate electrode 117 is provided via a tunnel insulating film 115 on a portion of the charge storage gate electrode 111 extending above the element separation region 114, and this portion, that is, a charge injection region. In 113, a current is passed between the second gate electrode 117 and the charge storage gate electrode 111 to accumulate charges in the charge storage gate electrode 111, thereby changing the potential of the charge storage gate electrode. Therefore, the influence of the charge injection does not reach the first insulating film 110, and the problems due to the conventional structure such that the first insulating film 110 is damaged at the time of charge injection are solved, and it is practical. A normally-off nitride semiconductor FET can be obtained.

ここで、大きなドレイン電流を得たい場合には、図1の構造を複数個並べて、第1のゲート電極116、第2のゲート電極117、ソース電極109、ドレイン電極210を並列に接続すればよい。このとき、第2のゲート電極117は、すべて並列に接続せず、一つずつのトランジスタに対し、一つのパッド、あるいは、全個数より少ない複数個に一つのパッドを引き出すことで、電子注入を行い、閾値を調整した後の複数個に接続したトランジスタの閾値のばらつきが小さくなる。また、並列に接続する工程をウェーハプロセスではなく、パッケージのボンディングによって行えば、不良チップを除去して大電流を流す半導体装置となる。 Here, when it is desired to obtain a large drain current, a plurality of structures of FIG. 1 may be arranged side by side, and the first gate electrode 116, the second gate electrode 117, the source electrode 109, and the drain electrode 210 may be connected in parallel. .. At this time, all the second gate electrodes 117 are not connected in parallel, and one pad is pulled out for each transistor, or one pad is drawn out for each transistor, which is less than the total number, so that electron injection can be performed. After adjusting the threshold value, the variation in the threshold value of the transistors connected to the plurality of transistors becomes small. Further, if the process of connecting in parallel is performed by bonding the package instead of the wafer process, a semiconductor device that removes defective chips and allows a large current to flow is obtained.

並列に接続する場合は、図3に示すようにソース電極109とドレイン電極210を交互に配置し、その間に電荷蓄積用ゲート111を配置し、それぞれの第一のゲート電極116、ソース電極109,ドレイン電極210を接続すれば、上述、単体トランジスタの並列接続より、面積が小さく大電流が得られる。このとき、上述の単体の場合と同様に、ブロック絶縁膜112とトンネル絶縁膜115を介して第1のゲート電極116を形成するとき、その面積を十分大きくとれば、電荷蓄積用ゲート電極111と第1のゲート電極116によって形成される容量120は、第2のゲート電極117と電荷蓄積用ゲート電極111で形成される容量121や電荷蓄積用ゲート電極111とソースやドレインと形成する容量119より大きくなる。このとき、電荷蓄積用ゲート電極111と第一のゲート電極116を活性領域のドレイン側に伸ばすことにより、フィールドプレートの役割を果たすことも期待できる。 When connecting in parallel, as shown in FIG. 3, the source electrode 109 and the drain electrode 210 are arranged alternately, and the charge storage gate 111 is arranged between them, and the first gate electrode 116 and the source electrode 109, respectively, are arranged. If the drain electrode 210 is connected, the area is smaller and a larger current can be obtained than the above-mentioned parallel connection of single transistors. At this time, when the first gate electrode 116 is formed via the block insulating film 112 and the tunnel insulating film 115 as in the case of the single unit described above, if the area is sufficiently large, the charge storage gate electrode 111 and The capacity 120 formed by the first gate electrode 116 is based on the capacity 121 formed by the second gate electrode 117 and the charge storage gate electrode 111, or the capacity 119 formed by the charge storage gate electrode 111 and the source or drain. growing. At this time, by extending the charge storage gate electrode 111 and the first gate electrode 116 toward the drain side of the active region, it can be expected to play the role of a field plate.

さらに、図4に示すように電荷蓄積用ゲート電極111と第1のゲート電極116とのオーバーラップ部分を、素子分離領域114上に形成すれば、容量120を大きくすることができる。素子分離領域114上のオーバーラップ部分の面積が十分大きければ、電荷蓄積用ゲート電極111と第1のゲート電極116のドレイン側への引き延ばしは短くしても、または、無くしてもかまわない。或は、電荷蓄積用ゲート電極111と第1のゲート電極116とのオーバーラップ部分を素子分離領域114上のみに形成してもよい。この場合も、電荷蓄積用ゲート電極111を活性領域においてチャネル領域からドレイン側に伸ばすことにより、フィールドプレートの役割を果たすこともできる。なお、本実施例では活性領域内の電荷蓄積用ゲート電極111と素子分離領域114上に形成される電荷蓄積用ゲート電極111を共通の導電膜で同時に形成する場合について示したが、活性領域内の電荷蓄積用ゲート電極111と素子分離領域114上に形成された電荷蓄積用ゲート電極111を異なる導電膜で形成し、電気的に接続してもよい。 Further, as shown in FIG. 4, if the overlapping portion between the charge storage gate electrode 111 and the first gate electrode 116 is formed on the element separation region 114, the capacity 120 can be increased. As long as the area of the overlapping portion on the element separation region 114 is sufficiently large, the extension of the charge storage gate electrode 111 and the first gate electrode 116 to the drain side may be shortened or eliminated. Alternatively, the overlapping portion between the charge storage gate electrode 111 and the first gate electrode 116 may be formed only on the element separation region 114. Also in this case, by extending the charge storage gate electrode 111 from the channel region to the drain side in the active region, it can also serve as a field plate. In this embodiment, the case where the charge storage gate electrode 111 in the active region and the charge storage gate electrode 111 formed on the element separation region 114 are simultaneously formed by a common conductive film is shown, but in the active region. The charge storage gate electrode 111 and the charge storage gate electrode 111 formed on the element separation region 114 may be formed of different conductive films and electrically connected to each other.

第2のゲート電極117は、図3に示すように、一つのソース/ドレインおよび電荷蓄積用ゲート電極111で構成されるセルに対して、一つずつ設けてもかまわないし、複数個に一つ設けてもかまわない。全体で一カ所の場合は、図4に示すようにセル外であってもかまわない。全体で一個の場合は、上述の電荷注入方法で閾値を調整するが、セルを分割して第2のゲート電極117を形成すれば、その単位ごとに電荷注入が止まるので、閾値の調整が高精度化される。 As shown in FIG. 3, the second gate electrode 117 may be provided one by one for a cell composed of one source / drain and one charge storage gate electrode 111, or one in a plurality. It may be provided. In the case of one place as a whole, it may be outside the cell as shown in FIG. In the case of one in total, the threshold value is adjusted by the above-mentioned charge injection method, but if the cell is divided to form the second gate electrode 117, the charge injection is stopped for each unit, so the threshold value adjustment is high. It will be refined.

上述の実施例においては、窒化物半導体としてGaNおよびAlGaNを用いる場合について説明した。AlGaNのバンドギャップはGaNのバンドギャップより大きいため、AlGaNとGaNとの界面のGaN側に導電チャネルが形成される。上述の実施例においてはこの導電チャネルを用いている。本発明はGaN、AlGaN以外の窒化物半導体を用いてもよい。例えば、InN、InGaN、InAlN等のInを含む窒化物半導体を用いてもよい。或は組成の異なる窒化物半導体の多層構造を用いてもよい。材料および組成は、下層の主要部分がバンドギャップの小さい窒化物半導体で形成され、上層の主要部分がバンドギャップの大きい窒化物半導体で形成されるように選べばよい。 In the above-described embodiment, the case where GaN and AlGaN are used as the nitride semiconductor has been described. Since the band gap of AlGaN is larger than the band gap of GaN, a conductive channel is formed on the GaN side of the interface between AlGaN and GaN. This conductive channel is used in the above-described embodiment. In the present invention, a nitride semiconductor other than GaN and AlGaN may be used. For example, a nitride semiconductor containing In such as InN, InGaN, and InAlN may be used. Alternatively, a multilayer structure of nitride semiconductors having different compositions may be used. The material and composition may be selected so that the main part of the lower layer is formed of a nitride semiconductor having a small bandgap and the main part of the upper layer is formed of a nitride semiconductor having a large bandgap.

第2の窒化物半導体の表面保護等の目的で、第2の窒化物半導体とは組成の異なる別の窒化物半導体を挿入してもよい。例えば、第1の窒化物半導体をGaN、第2の窒化物半導体をAlGaNとする場合、AlGaN直上に薄いGaN層を挿入してもよい。 For the purpose of protecting the surface of the second nitride semiconductor, another nitride semiconductor having a composition different from that of the second nitride semiconductor may be inserted. For example, when the first nitride semiconductor is GaN and the second nitride semiconductor is AlGaN, a thin GaN layer may be inserted directly above AlGaN.

チャネル領域106において、AlGaN層104を途中までエッチングした後に第1の絶縁膜110を形成してもよい。この場合、AlGaN層104が薄くなるため第1のゲート電極に印加する正の電圧を増やして導電チャネルを流れる電流を増大せしめる際に第1の絶縁膜110とAlGaN層104との界面に存在するトラップ準位でフェルミ準位が固定され易くなり、その結果導電チャネルへの伝導電子の誘起が阻害され、オン抵抗等の特性が劣化する。その一方でAlGaN層104が薄くなり分極による閾値電圧の負側へのシフト量が減るため、所望の正の閾値電圧を得るために電荷蓄積用ゲート電極111に注入する負電荷の量を減らすことができる。またエッチング深さのばらつきにより初期の閾値電圧にばらつきが生じるが、前述の電荷蓄積用ゲート電極111への電荷注入を自動的に停止させる方法等によりばらつきを補償することができる。 In the channel region 106, the first insulating film 110 may be formed after the AlGaN layer 104 is half-etched. In this case, since the AlGaN layer 104 becomes thin, it exists at the interface between the first insulating film 110 and the AlGaN layer 104 when the positive voltage applied to the first gate electrode is increased to increase the current flowing through the conductive channel. The Fermi level is easily fixed at the trap level, and as a result, the induction of conductive electrons into the conductive channel is hindered, and the characteristics such as on-resistance deteriorate. On the other hand, since the AlGaN layer 104 becomes thin and the amount of shift of the threshold voltage to the negative side due to polarization is reduced, the amount of negative charge injected into the charge storage gate electrode 111 in order to obtain a desired positive threshold voltage is reduced. Can be done. Further, although the initial threshold voltage varies due to the variation in the etching depth, the variation can be compensated by the above-mentioned method of automatically stopping the charge injection into the charge storage gate electrode 111.

以上の実施例では、チャネル領域の導電チャネルが第1の窒化物半導体層と第2の窒化物半導体層との界面に形成される導電チャネルから成る場合について説明した。一方本発明は、単層の窒化物半導体の直上に第1の絶縁膜が設けられ、当該窒化物半導体と第1の絶縁膜との界面に形成される導電チャネルを通してソース・ドレイン間の電流が流れる窒化物半導体トランジスタに適用することも可能である。この場合の実施例を図5に示す。図5では、図1に示した実施例においてチャネル領域のAlGaN層104を除去しGaN層103まで掘り込み、第1の絶縁膜110をGaN層103の直上の形成し、その上に電荷蓄積用ゲート電極111を形成している。トランジスタ動作時におけるソース・ドレイン間の電流は第1の絶縁膜110とGaN層103との界面に形成される導電チャネルを通して流れる。それ以外は図1に示した実施例と同様である。トランジスタの閾値電圧の調整も図1及び図2で説明した方法と同じ要領で行えばよい。本実施例の窒化物半導体トランジスタは、導電チャネルが第1の絶縁膜110とGaN層103との界面に存在するトラップ準位の影響を強く受け、導電チャネルの電子移動度が低下する、第1のゲート電極116への正電圧印加による導電チャネルへの電子の誘起が阻害される、等の問題があるため、図1に示した実施例による窒化物半導体トランジスタ比べオン抵抗等の特性は大幅に劣る。しかし、AlGaN層の分極による閾値電圧の負側へのシフトがないため、所望のノーマリオフ動作に必要な正の閾値電圧を得るために電荷蓄積用ゲート電極111に注入する負電荷の量を大幅に減らすことができる。また、所望の閾値電圧に到達したところで第2のゲート電極117から電荷蓄積用ゲート電極111への電荷注入を自動的に停止させることができる、複数のセルで構成されるトランジスタにおいてセル間の閾値電圧のばらつきを低減することが出来るなどの効果が得られる点も、図1乃至図3で説明した窒化物半導体トランジスタの場合と同様である。 In the above examples, the case where the conductive channel in the channel region is composed of the conductive channel formed at the interface between the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer has been described. On the other hand, in the present invention, the first insulating film is provided directly above the single-layer nitride semiconductor, and the current between the source and drain is transmitted through the conductive channel formed at the interface between the nitride semiconductor and the first insulating film. It can also be applied to flowing nitride semiconductor transistors. An embodiment in this case is shown in FIG. In FIG. 5, in the embodiment shown in FIG. 1, the AlGaN layer 104 in the channel region is removed and dug up to the GaN layer 103 to form the first insulating film 110 directly above the GaN layer 103 for charge storage. The gate electrode 111 is formed. The current between the source and drain during transistor operation flows through the conductive channel formed at the interface between the first insulating film 110 and the GaN layer 103. Other than that, it is the same as the embodiment shown in FIG. The threshold voltage of the transistor may be adjusted in the same manner as the method described with reference to FIGS. 1 and 2. In the nitride semiconductor transistor of this embodiment, the conductive channel is strongly affected by the trap level existing at the interface between the first insulating film 110 and the GaN layer 103, and the electron mobility of the conductive channel is lowered. Since there is a problem that the induction of electrons to the conductive channel by applying a positive voltage to the gate electrode 116 is hindered, the characteristics such as on-resistance are significantly higher than those of the nitride semiconductor transistor according to the embodiment shown in FIG. Inferior. However, since there is no shift of the threshold voltage to the negative side due to the polarization of the AlGaN layer, the amount of negative charge injected into the charge storage gate electrode 111 in order to obtain the positive threshold voltage required for the desired normalization-off operation is significantly increased. Can be reduced. Further, in a transistor composed of a plurality of cells, the threshold between cells can be automatically stopped when the desired threshold voltage is reached, and the charge injection from the second gate electrode 117 to the charge storage gate electrode 111 can be automatically stopped. It is the same as the case of the nitride semiconductor transistor described with reference to FIGS. 1 to 3 in that the effect of reducing the voltage variation can be obtained.

本発明の窒化物半導体トランジスタ装置は、主として、電源回路等で用いられるパワースイッチとして有用である。それに加え、無線通信、センサ等に用いられる高周波トランジスタとしても有用である。高周波トランジスタとして用いる場合においては、本発明により閾値電圧を正に調整すれば正電圧電源のみでトランジスタを動作させることが出来るため、従来必要であった負電圧電源をなくすことが出来る。またトランジスタの閾値を負のままで動作させる場合においても、本発明による閾値電圧の調整方法により、トランジスタ間の閾値電圧ばらつき、或は複数本のゲート電極からなるトランジスタにおいてはトランジスタ内のゲート間の閾値電圧ばらつきを減らすことができ、特性ばらつきの少ない良好なトランジスタが得られる。 The nitride semiconductor transistor device of the present invention is mainly useful as a power switch used in a power supply circuit or the like. In addition, it is also useful as a high-frequency transistor used in wireless communication, sensors, and the like. When used as a high-frequency transistor, the transistor can be operated only with a positive voltage power supply by adjusting the threshold voltage positively according to the present invention, so that the negative voltage power supply, which has been conventionally required, can be eliminated. Further, even when the transistor is operated with the threshold value kept negative, the threshold voltage variation between the transistors or between the gates in the transistor in the transistor composed of a plurality of gate electrodes is obtained by the threshold voltage adjusting method according to the present invention. The threshold voltage variation can be reduced, and a good transistor with little characteristic variation can be obtained.

101・・・基板、102・・・バッファ層、103・・・GaN層、104・・・AlGaN層、105・・・フィールド絶縁膜、106・・・チャネル領域、107・・・ソース形成領域、108・・・ドレイン形成領域、109・・・ソース電極、210・・・ドレイン電極、110・・・第1の絶縁膜、111・・・電荷蓄積用ゲート電極、112・・・ブロック絶縁膜、113・・・電荷注入領域、114・・・素子分離領域、115・・・トンネル絶縁膜、116・・・第1のゲート電極、117・・・第2のゲート電極、118・・・絶縁膜、119・・・電荷蓄積用ゲート電極とゲート直下導電チャネル間容量、120・・・電荷蓄積用ゲート電極と第1のゲート電極間容量、121・・・電荷蓄積用ゲート電極と第2のゲート電極間容量、122・・・ソース・ドレイン間の電荷が蓄積している領域、123・・・電荷蓄積用ゲート電極とゲート直下の導電チャネルが形成されていないフローティング領域との間の容量。1001・・・基板、1002・・・バッファ層、1003・・・GaN層、1004・・・AlGaN層、1005・・・絶縁膜、1006・・・リセスエッチング部、1007・・・ゲート電極、1008・・・ソース電極、1009・・・ドレイン電極、1010・・・導電チャネル、1101・・・基板、1102・・・バッファ層、1103・・・GaN層、1104・・・AlGaN層、1105・・・絶縁膜、1106・・・リセスエッチング部、1107・・・ゲート電極、1108・・・ソース電極、1109・・・ドレイン電極、1110・・・導電チャネル、1111・・・導電チャネル、1201・・・伝導帯下端、1202・・・AlGaN層内に存在する分極(P)、1203・・・フェルミ準位(EF)、1204・・・トラップ準位、1205・・・正のゲート電圧 101 ... substrate, 102 ... buffer layer, 103 ... GaN layer, 104 ... AlGaN layer, 105 ... field insulating film, 106 ... channel region, 107 ... source forming region, 108 ... Drain forming region, 109 ... Source electrode, 210 ... Drain electrode, 110 ... First insulating film, 111 ... Charge storage gate electrode, 112 ... Block insulating film, 113 ... Charge injection region, 114 ... Element separation region, 115 ... Tunnel insulating film, 116 ... First gate electrode, 117 ... Second gate electrode, 118 ... Insulating film , 119: Capacity between the charge storage gate electrode and the conductive channel directly under the gate, 120: Charge between the charge storage gate electrode and the first gate electrode, 121: Charge storage gate electrode and the second gate Capacity between electrodes, 122 ... Region where charge is accumulated between source and drain, 123 ... Capacity between the gate electrode for charge storage and the floating region where the conductive channel directly under the gate is not formed. 1001 ... Substrate, 1002 ... Buffer layer, 1003 ... GaN layer, 1004 ... AlGaN layer, 1005 ... Insulation film, 1006 ... Recess etching section, 1007 ... Gate electrode, 1008 ... Source electrode, 1009 ... Drain electrode, 1010 ... Conductive channel, 1101 ... Substrate, 1102 ... Buffer layer, 1103 ... GaN layer, 1104 ... AlGaN layer, 1105 ... Insulating film, 1106 ... recess etching part, 1107 ... gate electrode, 1108 ... source electrode, 1109 ... drain electrode, 1110 ... conductive channel, 1111 ... conductive channel, 1201 ... The lower end of the conductive band, 1202 ... Polarization (P) existing in the AlGaN layer, 1203 ... Fermi level (EF), 1204 ... Trap level, 1205 ... Positive gate voltage

Claims (23)

基板と、前記基板上に設けられた電気的に不活性な素子分離領域と、前記基板上に設けられた窒化物半導体層と、前記窒化物半導体層上に設けられた第1の絶縁膜と、少なくとも前記第1の絶縁膜上に設けられた電荷蓄積用ゲート電極と、前記電荷蓄積用ゲート電極上に設けられた第2の絶縁膜と、前記第2の絶縁膜上に設けられた第1のゲート電極と、面方向に前記電荷蓄積用ゲート電極を挟んで前記窒化物半導体層上に設けられたソース電極およびドレイン電極と、前記電荷蓄積用ゲート電極上に設けられた第3の絶縁膜と、前記第3の絶縁膜上に設けられた第2のゲート電極と、を有することを特徴とする窒化物半導体トランジスタ装置。 A substrate, an electrically inactive element separation region provided on the substrate, a nitride semiconductor layer provided on the substrate, and a first insulating film provided on the nitride semiconductor layer. , At least a charge storage gate electrode provided on the first insulating film, a second insulating film provided on the charge storage gate electrode, and a second insulating film provided on the second insulating film. A gate electrode of No. 1, a source electrode and a drain electrode provided on the nitride semiconductor layer with the charge storage gate electrode sandwiched in the plane direction, and a third insulation provided on the charge storage gate electrode. A nitride semiconductor transistor apparatus comprising a film and a second gate electrode provided on the third insulating film. 前記第3の絶縁膜は素子分離領域上に設けられた前記電荷蓄積用ゲート電極上に存し、前記第3の絶縁膜上に第2のゲート電極が設けられたことを特徴とする請求項1の窒化物半導体トランジスタ装置。 The third insulating film is located on the charge storage gate electrode provided on the element separation region, and the second gate electrode is provided on the third insulating film. 1 Nitride semiconductor transistor device. 第2のゲート電極と電荷蓄積用ゲート電極の間に電流を流して、電荷蓄積用ゲート電極に電荷を蓄積することにより、電荷蓄積用ゲート電極の電位を変化させることを特徴とする請求項1または2の窒化物半導体トランジスタ装置。 Claim 1 is characterized in that the potential of the charge storage gate electrode is changed by passing a current between the second gate electrode and the charge storage gate electrode and accumulating the charge in the charge storage gate electrode. Or 2 nitride semiconductor transistor device. 第2のゲート電極と電荷蓄積用ゲート電極の間に電流を流して、電荷蓄積用ゲート電極に電荷を蓄積する際、第1のゲート電極に電圧を印加して、電荷注入量の制御を容易にすることを特徴とする請求項3の窒化物半導体トランジスタ装置。 When a current is passed between the second gate electrode and the charge storage gate electrode to store charge in the charge storage gate electrode, a voltage is applied to the first gate electrode to facilitate control of the charge injection amount. 3. The nitride semiconductor transistor apparatus according to claim 3. 第1のゲート電極と電荷蓄積用ゲート電極間の電気的容量が第2のゲート電極と電荷蓄積用ゲート電極間の電気的容量より大きい事を特徴とする請求項1乃至4のいずれか一つの窒化物半導体トランジスタ装置。 One of claims 1 to 4, wherein the electrical capacitance between the first gate electrode and the charge storage gate electrode is larger than the electrical capacitance between the second gate electrode and the charge storage gate electrode. Nitride semiconductor transistor device. 第1のゲート電極と電荷蓄積用ゲート電極間の電気的容量が、第2のゲート電極と電荷蓄積用ゲート電極間の電気的容量とソースと電荷蓄積用ゲート電極間の電気的容量とドレインと電荷蓄積用ゲート電極間の電気的容量との総和より大きい事を特徴とする請求項1乃至4のいずれか一つの窒化物半導体トランジスタ装置。 The electrical capacitance between the first gate electrode and the charge storage gate electrode is the electrical capacitance between the second gate electrode and the charge storage gate electrode, and the electrical capacitance and drain between the source and the charge storage gate electrode. The nitride semiconductor transistor apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein the sum is larger than the sum of the electric capacitance between the charge storage gate electrodes. 第2のゲート電極にソース電極及びドレイン電極及び第1のゲート電極より低い電圧を与える事により、第2のゲート電極と電荷蓄積用ゲート電極の間に電流を流し、それにより電荷蓄積用ゲート電極内の電荷を変化させる事を特徴とする請求項1乃至6のいずれか一つの窒化物半導体トランジスタ装置。 By applying a voltage lower than that of the source electrode, the drain electrode, and the first gate electrode to the second gate electrode, a current is passed between the second gate electrode and the charge storage gate electrode, whereby the charge storage gate electrode. The nitride semiconductor transistor apparatus according to any one of claims 1 to 6, wherein the electric charge inside is changed. 第1のゲート電極が0V以下の時にトランジスタがオフ状態であることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一つの窒化物半導体トランジスタ装置。 The nitride semiconductor transistor apparatus according to any one of claims 1 to 7, wherein the transistor is in an off state when the first gate electrode is 0 V or less. 第1のゲート電極と第2のゲート電極が絶縁されていることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか一つの窒化物半導体トランジスタ装置。 The nitride semiconductor transistor apparatus according to any one of claims 1 to 8, wherein the first gate electrode and the second gate electrode are insulated from each other. 第1のゲート電極と電荷蓄積用ゲート電極で形成される電気的容量が、トランジスタがオン状態の時の電荷蓄積用ゲート電極と窒化物半導体層で形成される電気的容量より大きいことを特徴とする請求項1乃至9のいずれか一つの窒化物半導体トランジスタ装置。 The feature is that the electrical capacitance formed by the first gate electrode and the charge storage gate electrode is larger than the electrical capacitance formed by the charge storage gate electrode and the nitride semiconductor layer when the transistor is on. The nitride semiconductor transistor apparatus according to any one of claims 1 to 9. 第1のゲート電極の面積が電荷蓄積用ゲート電極とチャネル領域のオーバーラップした面積より大きいことを特徴とする請求項10の窒化物半導体トランジスタ装置。 The nitride semiconductor transistor apparatus according to claim 10, wherein the area of the first gate electrode is larger than the overlapping area of the charge storage gate electrode and the channel region. 前記第1のゲート電極と電荷蓄積用ゲート電極のオーバーラップしている領域が、チャネル領域からドレイン電極側に張り出している請求項1乃至11のいずれか一つの窒化物半導体トランジスタ装置。 The nitride semiconductor transistor apparatus according to any one of claims 1 to 11, wherein the overlapping region of the first gate electrode and the charge storage gate electrode projects from the channel region to the drain electrode side. 前記第2の絶縁膜と前記第3の絶縁膜とが同じ絶縁膜である請求項1乃至12のいずれか一つの窒化物半導体トランジスタ装置。 The nitride semiconductor transistor apparatus according to any one of claims 1 to 12, wherein the second insulating film and the third insulating film are the same insulating film. 前記第3の絶縁膜がトンネル絶縁膜である請求項1乃至13のいずれか一つの窒化物半導体トランジスタ装置。 The nitride semiconductor transistor apparatus according to any one of claims 1 to 13, wherein the third insulating film is a tunnel insulating film. 前記第2の絶縁膜がブロック絶縁膜を含む請求項1乃至12のいずれか一つの窒化物半導体トランジスタ装置。 The nitride semiconductor transistor apparatus according to any one of claims 1 to 12, wherein the second insulating film includes a block insulating film. 前記トランジスタが複数個並列に接続され、第2のゲート電極以外の電極は並列に接続されており、一つ乃至全数個のトランジスタに一つずつ第2のゲート電極が設けられている請求項1乃至15のいずれか一つの窒化物半導体トランジスタ装置。 Claim 1 in which a plurality of the transistors are connected in parallel, electrodes other than the second gate electrode are connected in parallel, and one or several transistors are provided with a second gate electrode one by one. A nitride semiconductor transistor apparatus according to any one of 15 to 15. 前記複数個のトランジスタを接続する際、ソースとドレインが交互に配置され、その間に電荷蓄積用ゲート電極が配置されるフィンガー構造の請求項16の窒化物半導体トランジスタ装置。 The nitride semiconductor transistor device according to claim 16, which has a finger structure in which sources and drains are alternately arranged and charge storage gate electrodes are arranged between the plurality of transistors. 第2のゲート電極と電荷蓄積用ゲート電極の間に電流を流して、電荷蓄積用ゲート電極に電荷を蓄積する際の電荷注入量を、第1のゲート電極に電圧を印加して制御する際、第2のゲート電極を共通とする部分ごとに電荷量を調整することを特徴とする請求項16または17の窒化物半導体トランジスタ装置。 When a current is passed between the second gate electrode and the charge storage gate electrode to control the amount of charge injected when the charge is stored in the charge storage gate electrode by applying a voltage to the first gate electrode. The nitride semiconductor transistor apparatus according to claim 16 or 17, wherein the amount of electric charge is adjusted for each portion having a common second gate electrode. 前記第1の絶縁膜の少なくとも最下層が酸化アルミニウムで構成されていることを特徴とする請求項1乃至18のいずれか一つの窒化物半導体トランジスタ装置。 The nitride semiconductor transistor apparatus according to any one of claims 1 to 18, wherein at least the lowermost layer of the first insulating film is made of aluminum oxide. 前記窒化物半導体層はGaNから成ることを特徴とする請求項1乃至19のいずれか一つの窒化物半導体トランジスタ装置。 The nitride semiconductor transistor apparatus according to any one of claims 1 to 19, wherein the nitride semiconductor layer is made of GaN. 前記窒化物半導体層は前記基板上に設けられた第1の窒化物半導体層と、前記第1の窒化物半導体層上に設けられ、前記第1の窒化物半導体層の少なくとも一部の窒化物半導体よりバンドギャップの大きい窒化物半導体を少なくとも含む第2の窒化物半導体層から成ることを特徴とする請求項1乃至19のいずれか一つの窒化物半導体トランジスタ装置。 The nitride semiconductor layer is provided on the first nitride semiconductor layer provided on the substrate and the first nitride semiconductor layer, and at least a part of the nitride of the first nitride semiconductor layer is nitrided. The nitride semiconductor transistor apparatus according to any one of claims 1 to 19, further comprising a second nitride semiconductor layer including at least a nitride semiconductor having a bandgap larger than that of the semiconductor. 前記第1の窒化物半導体層がGaNで構成されており、前記第2の窒化物半導体層がAlxGa1-xN(0<x≦1)で構成されていることを特徴とする請求項21の窒化物半導体トランジスタ装置。 The first nitride semiconductor layer is made of GaN, and the second nitride semiconductor layer is made of Al x Ga 1-x N (0 <x ≦ 1). Item 21. Nitride semiconductor transistor apparatus. 請求項1乃至22のいずれか一つの窒化物半導体トランジスタ装置と、当該トランジスタ装置を封止するパッケージとを含み、当該トランジスタ装置の第1のゲート電極とドレイン電極とソース電極とを前記パッケージのそれぞれの外部ピンにそれぞれ接続させ、当該トランジスタ装置の第2のゲート電極は外部ピンに接続させない事を特徴とする窒化物半導体装置。 A nitride semiconductor transistor apparatus according to any one of claims 1 to 22 and a package for sealing the transistor apparatus are included, and a first gate electrode, a drain electrode, and a source electrode of the transistor apparatus are included in each of the packages. A nitride semiconductor device characterized in that the second gate electrode of the transistor device is connected to each of the external pins of the transistor device and is not connected to the external pin.
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