特許 6280434 窒化物半導体を利用する絶縁ゲート型の電界効果トランジスタ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6280434

(24)【登録日】2018年1月26日

(45)【発行日】2018年2月14日

(54)【発明の名称】窒化物半導体を利用する絶縁ゲート型の電界効果トランジスタ

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/338 20060101AFI20180205BHJP

   H01L 29/778 20060101ALI20180205BHJP

   H01L 29/812 20060101ALI20180205BHJP

【ＦＩ】

   H01L29/80 H

【請求項の数】3

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2014-92447(P2014-92447)

(22)【出願日】2014年4月28日

(65)【公開番号】特開2015-211151(P2015-211151A)

(43)【公開日】2015年11月24日

【審査請求日】2016年12月16日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(73)【特許権者】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(74)【代理人】

【識別番号】110000110

【氏名又は名称】特許業務法人快友国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】成田 哲生

(72)【発明者】

【氏名】菊田 大悟

(72)【発明者】

【氏名】冨田 一義

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 健治

(72)【発明者】

【氏名】小山 和博

(72)【発明者】

【氏名】樋口 安史

【審査官】 杉山 芳弘

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００７−２９４５２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１２４４４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−３０３０３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１７２０５５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／３３８

Ｈ０１Ｌ ２９／７７８

Ｈ０１Ｌ ２９／８１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ゲート電極がゲート絶縁膜を介して窒化物半導体で形成されているチャネル領域と対向しており、前記チャネル領域の下面下に高抵抗層が積層されており、
前記ゲート電極に加える電位によって前記チャネル領域に広がっていた空乏層が収縮してソース電極とドレイン電極間の抵抗が低下する絶縁ゲート型の電界効果トランジスタであり、
前記ゲート電極が延びている方向に沿って前記チャネル領域を観測したときに、負固定電荷が導入されている領域と負固定電荷が導入されていない領域が交互に出現し、
前記負固定電荷導入領域が、前記チャネル領域の上面から前記高抵抗層まで延びていることを特徴とする電界効果トランジスタ。

【請求項2】

前記高抵抗層と、前記高抵抗層の上面上に積層されている電子走行層と、前記電子走行層の上面上に積層されている電子供給層を備えており、
前記電子走行層は、窒化物半導体で形成されており、
前記電子供給層は、前記電子走行層を形成する窒化物半導体よりバンドギャップが大きい窒化物半導体で形成されており、
前記電子供給層の上面から前記電子走行層に向かって延びるリセスが形成されており、
前記リセスの壁面が前記ゲート絶縁膜で覆われており、
壁面が前記ゲート絶縁膜で覆われている前記リセスに、前記ゲート電極が充填されており、
前記リセスの底面が、前記電子供給層の中間深さから前記電子走行層の中間深さまでの間に位置しており、
前記ゲート絶縁膜と前記電子供給層を介して前記ゲート電極に対向する範囲の前記電子走行層、あるいは、前記ゲート絶縁膜を介して前記ゲート電極に対向する範囲の前記電子走行層が前記チャネル領域となることを特徴とする請求項１に記載の電界効果トランジスタ。

【請求項3】

前記リセス底面の前記ソース電極側の境界線と、前記リセス底面の前記ドレイン電極側の境界線とに沿って、前記ゲート絶縁膜を介して前記ゲート電極に対向する前記チャネル領域を観察したときに、隣接する一対の負固定電荷導入領域の間の距離が、前者の境界線に沿って観察すると長くて後者の境界線に沿って観察すると短いことを特徴とする請求項２に記載の電界効果トランジスタ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書では、ゲート電極がゲート絶縁膜を介して窒化物半導体に対向しており、ゲート電極に閾値以上の電圧を加えることによって窒化物半導体に広がっていた空乏層が収縮し、ソースとドレイン間の抵抗が低下する電界効果トランジスタを開示する。

【背景技術】

【0002】

窒化物半導体をチャネル領域とする電界効果トランジスタは、閾値電圧がマイナス電圧となってノーマリオンとなりやすい。特許文献１に、閾値電圧をプラス電圧に引き上げてノーマリオフとする技術が記載されている。

【0003】

特許文献１に記載されている電界効果トランジスタは、図１１に示すように、ＧａＮ層１２とＡｌＧａＮ層１０のヘテロ接合構造を備えており、ゲート電極２がゲート絶縁膜４を介してヘテロ接合界面に対向する構造を備えている。
閾値電圧をプラス電圧に引き上げてノーマリオフとするために、特許文献１の技術では、ＡｌＧａＮ層１０の上面から中間深さに達するリセスを設け、そのリセスの底面からフッ素イオンを注入し、負の固定電荷が導入された領域１４を形成する。負の固定電荷導入領域１４では、ｎ型に反転しづらくなり、閾値電圧がプラス電圧に引き上げられる。なお参照番号６はソース電極であり、１６はドレイン電極である。
特許文献１の技術では、チャネル領域に負固定電荷を導入することによって、閾値電圧をプラス電圧に引き上げる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１２−１２４４４２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１の技術は、窒化物半導体を利用する電界効果トランジスタの閾値電圧をプラス電圧に引き上げてノーマリオフ化する有用な技術であるが、オン抵抗まで上昇してしまう。図１１の構造では、電子が負固定電荷導入領域１４内を左右方向に移動して電流が流れる。電子が負固定電荷導入領域１４内を移動する際に、電子がイオン化不純物散乱される。電子の移動度が低下してオン抵抗が上昇する。
本明細書では、オン抵抗の上昇を抑制しながら閾値電圧をプラス側に向けて引き上げる技術を開示する。ここでいう「プラス側に向けて引き上げる」は、結果的にプラス電圧となる場合に限定されない。閾値電圧をプラス側に向けて引き上げることが要求され、引き上げた結果がマイナス電圧に留まっていても、プラス側に向けて引き上げたことが有利に働く場合がある。本明細書に記載の技術は、その場合にも有用な技術である。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本明細書では、窒化物半導体でチャネル領域が形成されている絶縁ゲート型の電界効果トランジスタを開示する。すなわち、ゲート電極がゲート絶縁膜を介してチャネル領域（窒化物半導体で形成されている）と対向しており、ゲート電極に加える電位によってチャネル領域に広がっていた空乏層が収縮してチャネル抵抗が低下する現象を利用する絶縁ゲート型の電界効果トランジスタを開示する。
本明細書で開示する絶縁ゲート型の電界効果トランジスタは、ゲート電極が延びている方向（本明細書では長手方向という）に沿ってチャネル領域を観測したときに、負の固定電荷が導入されている領域（本明細書では負固定電荷導入領域という）と負の固定電荷が導入されていない領域（本明細書では非導入領域という）が交互に出現することを特徴とする。

【0007】

ゲート絶縁膜を介してゲート電極に対向するチャネル領域をゲート電極の長手方向に沿って観測したときに、負固定電荷導入領域と非導入領域が交互に出現すると、オン抵抗の上昇を抑制しながら閾値電圧をプラス側に向けて引き上げることが可能となる。その理由は次のように考えられる。
（１）ゲート電極に閾値以上の電圧が印加されない状態（ゲート電極の電圧が閾値未満の状態）では、負固定電荷導入領域から非導入領域内に向けて長手方向に空乏層が広がる。ゲート電極に印加する電圧を上昇させると、空乏層が収縮してチャネル抵抗が低下する。負固定電荷導入領域が存在すると、負固定電荷導入領域から非導入領域に広がる空乏層を収縮させるためには、ゲート電極に印加する電圧をプラス側に向けて引き上げる必要がある。負固定電荷導入領域と非導入領域が交互に出現する構造を採用すると、閾値電圧がプラス側に向けて引き上げられる。
（２）ゲート電極に閾値以上の電圧を印加すると、非導入領域に広がっていた空乏層が収縮して電子の移動経路が形成される。非導入領域内にチャネルが形成される。非導入領域では電子の移動度が高く、非導入領域内にチャネルが形成されると低いオン抵抗が得られる。負固定電荷導入領域にはチャネルが形成されにくく、電子の移動経路の横断面積が減少する要因となりえるが、負固定電荷導入領域を部分的に設けることによるオン抵抗の上昇と、図１１に示した構造（長手方向に切れ目なく負固定電荷導入領域１４を形成する構造）によるオン抵抗の上昇を比較すると、前者の上昇量＜後者の上昇量であり、オン抵抗の上昇を許容値内に抑制することができる。

【0008】

窒化物半導体を利用する電界効果トランジスタには、バンドギャップが狭い窒化物半導体とバンドギャップが広い窒化物半導体のヘテロ接合構造を利用するＨＥＭＴ（High Mobility Electron Transistor）がよく知られているが、本技術の適用範囲はＨＥＭＴに限られない。ｎ型の窒化物半導体の層を電子が走行する電界効果トランジスタに、本明細書に記載の技術を適用することができる。ソースコンタクト領域とドレインコンタクト領域の間を伸びているｎ型の窒化物半導体層の中間に、ｉ型又はｐ型の窒化物半導体層を設けることによって、ｉ型又はｐ型の窒化物半導体層をチャネル領域とする電界効果トランジスタが得られる。ｉ型又はｐ型の窒化物半導体からなるチャネル領域を長手方向に観察した際に、負固定電荷導入領域と非導入領域が交互に出現する構造を採用すると、オン抵抗の上昇を抑制しながら閾値電圧をプラス側に向けて引き上ることができる。

【0009】

バンドギャップが狭い窒化物半導体とバンドギャップが広い窒化物半導体のヘテロ接合が存在する場合、前者が電子走行層になり、後者が電子供給層になる。電子走行層と電子供給層の積層構造を備えているＨＥＭＴトランジスタに本明細書に記載の技術を適用することができる。
その場合は、電子供給層の上面から電子走行層に向かって延びるリセスを形成するのが望ましい。そのリセスは、電子供給層の中間深さに留まっていてもよいし、電子供給層を貫通して電子走行層の中間深さにまで達していてもよい。前者の場合は、リセスの底面が電子供給層の中間深さにあり、後者の場合はリセスの底面が電子走行層の中間深さにあることになる。ＨＥＭＴに適用する場合は、底面が電子供給層の中間深さから電子走行層の中間深さまでの間に位置するリセスを利用することが好ましい。そのリセスの壁面はゲート絶縁膜で覆っておく。そして壁面がゲート絶縁膜で覆われている状態のリセスにゲート電極を充填する。
リセスの深さが電子供給層の中間深さに留まっている場合、電子走行層の一部がゲート絶縁膜と電子供給層を介してゲート電極に対向する。リセスが電子供給層を貫通している場合、電子走行層の一部がゲート絶縁膜を介して（電子供給層を介さないで）ゲート電極に対向する。本明細書で「ゲート絶縁膜を介してゲート電極に対向する」という場合は、両者を含む。
本明細書では、ゲート絶縁膜を介してゲート電極に対向する範囲の電子走行層をチャネル領域という。チャネル領域に負固定電荷導入領域が形成されていない場合、ゲート電極に対向する範囲の電子走行層の全体が、ゲート電極の電位によって空乏化したり空乏化しなかったりする。この場合は、チャネル領域＝ゲート電極の電位によって空乏化したり空乏化しなかったりする領域ということになる。本明細書に記載の技術では、チャネル領域の一部に負固定電荷導入領域を形成する。負固定電荷導入領域ではゲート電極の電位によって空乏化したり空乏化しなかったりする現象が生じない場合がある。しかしながら本明細書では、ゲート絶縁膜を介してゲート電極に対向する範囲の電子走行層であって、負固定電荷導入領域が形成されていなければゲート電極の電位によって空乏化したり空乏化しなかったりする範囲の全体をチャネル領域という。本明細書でいうチャネル領域には、ゲート電極の電位によって空乏化したり空乏化しなかったりする現象が生じないことがある負固定電荷導入領域が含まれる。また本明細書では、空乏層が消失した状態のチャネル領域をチャネルという。
電子供給層にリセスを設け、そのリセスにゲート電極を充填すると、ゲート電極からそのゲート電極に対向する電子走行層までの距離が短くなり、閾値電圧がプラス側に向けて引き上げられる。ゲート電極をリセスに充填する技術と、所定間隔をおいて出現する負固定電荷導入領域を併用すると、オン抵抗が低いノーマリオフ型のＨＥＭＴトランジスタを実現することができる。
電子供給層の上面上に、絶縁膜を積層することがある。本明細書では、スペーサ膜という。スペーサ膜を備えている場合には、スペーサ膜の上面から電子供給層に達するリセスを形成することができる。

【0010】

ゲート電極に閾値以上の電圧を印加しない状態（オフとしておく状態）で、ソース電極とドレイン電極の間に高電圧が印加されると、リセス底面のドレイン電極側境界線の近傍に位置するチャネル領域に電界集中が生じやすい。その電界集中が緩和できれば、電界効果トランジスタの耐圧を向上させることができる。そのためには、リセス底面のドレイン電極側境界線に沿った位置では、負固定電荷導入領域とそれに隣接する負固定電荷導入領域との間の距離を狭くするのが有利である。
すなわち、リセス底面のソース電極側を延びている境界線と、リセス底面のドレイン電極側を延びている境界線に沿って、ゲート絶縁膜を介してゲート電極に対向するチャネル領域を観察したときに、負固定電荷導入領域とそれに隣接する負固定電荷導入領域との間の距離が、前者の境界線に沿って観察すると長く（無限大の場合を含む）、後者の境界線に沿って観察すると短いという特徴を備えていると耐圧が向上する。
ソース電極とドレイン電極間の電圧を高めていくと、ゲート電極に閾値以上の電圧を印加していないにも関わらず、ソース電極とドレイン電極間に電流が流れてしまう。本明細書でいう耐圧とは、ゲート電極に閾値以上の電圧を印加していないにも関わらず、ソース電極とドレイン電極間に電流が流れ始めてしまうときのソース・ドレイン間電圧のことをいう。

【0011】

ゲート電極に閾値以上の電圧を印加しない状態でソース電極とドレイン電極の間を流れる微弱電流（リーク電流）に対する対策が必要な場合がある。
その場合は、チャネル領域の下面下に高抵抗層を積層し、負固定電荷導入領域がチャネル領域の上面から高抵抗層まで延びる構造とする。
上記の構造によると、リーク電流が流れる経路に空乏層が広がり、リーク電流が低減される。

【発明の効果】

【0012】

本明細書に開示する技術によると、オン抵抗の上昇を抑制しながら閾値電圧をプラス側に向けて引き上げることができる。その技術を利用して、オン抵抗が低いノーマリオフの電界効果トランジスタを製造することが可能となる。また、高抵抗層を併用することによって、リーク電流を低減することが可能となり、負固定電荷導入領域の形状を調整することによって、耐圧を高めることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】第１実施例の絶縁ゲート型の電界効果トランジスタの分解斜視図を示す。

【図2】図１のｘ−ｚ断面図を示す。

【図3】図１のｘ１−ｚ断面図を示す。

【図4】図１のｙ-ｚ断面図を示す。

【図5】第２実施例の絶縁ゲート型の電界効果トランジスタの平面図を示す。

【図6】第２実施例の絶縁ゲート型の電界効果トランジスタの図２に対応する図を示す。

【図7】第３実施例の絶縁ゲート型の電界効果トランジスタの平面図を示す。

【図8】第４実施例の絶縁ゲート型の電界効果トランジスタの図２に対応する図を示す。

【図9】第４実施例の絶縁ゲート型の電界効果トランジスタの図４に対応する図を示す。

【図10】リセスと負固定電荷導入領域の深さのバリエーションを例示する。

【図11】従来の絶縁ゲート型の電界効果トランジスタを示す。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本明細書で開示する技術の特徴を整理する。なお、以下に記す事項は、各々単独で技術的な有用性を有している。
（特徴１）チャネル領域を提供する電子走行層がｉ型ＧａＮまたはｎ型ＧａNで形成されており、そのＧａＮに、Ｆ，Ｃｌ，Ｃ，Ｍｇ，Ｚｎ，Ｆｅの一種類または複数種類が導入されて負固定電荷導入領域が形成されている。
（特徴２）チャネル領域を提供する電子走行層の長手方向の複数個所に凹所が形成され、その凹所に、Ｆ，Ｃｌ，Ｃ，Ｍｇ，Ｚｎ，Ｆｅの一種類または複数種類が導入されている単結晶、多結晶または絶縁体を形成して、負固定電荷導入領域を形成している。

【実施例】

【0015】

（第１実施例）
図１は、第１実施例の絶縁ゲート型の電界効果トランジスタ２０の分解斜視図を示す。ただし、ｙ-ｚ面よりも手前側の構造の図示を省略している。図２は、電界効果トランジスタ２０の図１のｘ−ｚ断面を示し、図３はｘ１−ｚ断面を示し、図４はｙ-ｚ断面を示している。図２〜３では、図１では図示されていないドレイン電極１６が示されている。
図１において、２か所に図示されているｙ軸が実際には重なっており、２か所に図示されているｙ１軸が実際には重なっている。図示のｘ軸は負固定電荷導入領域１４を通過しており、ｘ１軸は隣接する一対の負固定電荷導入領域１４の間を通過している。

【0016】

図１〜図４において、参照番号は下記を示している。
２：ゲート電極：ソース電極６とドレイン電極１６の間をｙ方向に延びている。
４：ゲート絶縁膜：ゲート電極２の下面と側面を覆い、ゲート電極２とソース電極６の間を絶縁し、ゲート電極２と電子供給層１０の間を絶縁し、ゲート電極２と電子走行層１２の間を絶縁し、ゲート電極２とドレイン電極１６の間を絶縁している。
６：ソース電極：電子供給層１０に接している。
８：スペーサ膜：絶縁膜で形成されており、ゲート電極２と電子供給層１０の間を絶縁するとともに、ゲート電極２と電子供給層１０の離反距離を増大させる。
１０：電子供給層：ＡｌＧａＮで形成されている。後記のように、電子走行層がＧａＮで形成されている場合、一般に、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎを用いることができる。０≦ｘ＜１であり、０≦ｙ＜１であり、０≦１−ｘ−ｙ＜１である。
１２：電子走行層：ＧａＮで形成されている。ＡｌＧａＮのバンドギャップ＞ＧａＮのバンドギャップである。一般に、バンドギャップが大きい窒化物半導体とバンドギャップが小さい窒化物半導体の組み合わせによって、電子供給層１０と電子走行層１２を形成することができる。本実施例では、ｉ型ＧａＮで電子走行層１２を形成する。ｉ型ＧａＮに代えてｎ型ＧａＮを用いてもよい。電子走行層１２の一部１２ａは、ゲート絶縁膜４を介してゲート電極２の下面に対向しており、チャネル領域となる。
１４：負固定電荷導入領域：ゲート絶縁膜４を介してゲート電極２に対向する範囲にある電子走行層１２（＝チャネル領域１２ａ）の一部に、負固定電荷導入領域１４が形成されている。チャネル領域１２ａをｙ軸に沿って（ゲート電極２の長手方向に）観察すると、負固定電荷導入領域１４が所定の距離Ｌ１５をおいて出現する。
１５：非導入領域：隣接する一対の負固定電荷導入領域１４，１４の間にあり、負固定電荷が導入されていない。
１６：ドレイン電極：電子供給層１０に接している。
１７：ゲート電極２に電圧を印加しない状態で形成される空乏層。

【0017】

図１〜４の第１実施例では、スペーサ膜８の上面から電子供給層１０の下面（＝電子走行層１２の上面）に達するリセスが形成され、そのリセスの壁面（底面と側面）がゲート絶縁膜４で覆われ、壁面がゲート絶縁膜４で覆われたリセス内にゲート電極２が充填されている。リセスの底面に電子走行層１２が露出している。電子層走行層１２の上面が、ゲート絶縁膜４に直接に接している。
複数個の負固定電荷導入領域１４が、電子走行層１２のリセス底面に露出する範囲に形成されている。隣接する一対の負固定電荷導入領域１４，１４の間の間隔では、電子層走行層１２を形成するｉ型またはｎ型のＧａＮに負固定電荷が導入されておらず、非導入領域１５となる。非導入領域１５は、ゲート絶縁膜４を介してゲート電極２の下面に対向しており、ゲート電極２の電位に依存して空乏化した状態と空乏化しない状態の間で変化する。電子走行層１２のうちの非導入領域１５にチャネルが形成される。
負固定電荷導入領域１４は、電子走行層１２の一部に形成されるチャネル領域１２ａの一部に、Ｆ，Ｃｌ，Ｃ，Ｍｇ，Ｚｎ，Ｆｅの一種類または複数種類を導入することで形成することができる。あるいは、負固定電荷導入領域１４を形成する範囲において電子走行層１２をエッチングして凹所を設け、その凹所内にｐ型半導体（例えばｐ型の多結晶シリコンあるいはｐ型のＧａＮ）を形成してもよい。凹所内にＦなどの負イオンを含む絶縁体を形成してもよい。
チャネル領域１２ａを提供する電子走行層１２にｎ型ＧａＮ層を用いる場合、ゲート電極に閾値以上の電圧を印加しない状態では空乏層が広がり、ゲート電極に閾値以上の電圧を印加したときには高い電子移動度を実現するために、不純物濃度が高すぎないことが好ましい。電子走行層１２の不純物濃度＜負固定電荷導入領域１４の不純物濃度であることが好ましく、電子走行層１２の不純物濃度＜０．１×負固定電荷導入領域１４の不純物濃度であることがさらに好ましい。

【0018】

ゲート電極２に電圧を印加しない状態では、負固定電荷導入領域１４から非導入領域１５内に向けてｙ方向に空乏層が伸びる。第１実施例では、図４に示すように、隣接する一対の負固定電荷導入領域１４，１４から、その間隔に延びる一対の空乏層１７（＋ｙ方向に伸びる空乏層と、−ｙ方向に伸びる空乏層）が連続する。すなわち、一対の負固定電荷導入領域１４の間の距離Ｌ１５＜空乏層１７が連続する距離の関係におかれている。
そのために、この実施例では、バンドギャップが大きい窒化物半導体からなる電子供給層１０とバンドギャップが小さい窒化物半導体からなる電子走行層１２のヘテロ接合界面に生じる二次元電子ガスが空乏層１７によって分断され、ソース電極６とドレイン電極１６間に電流が流れない。
ゲート電極２に閾値電圧以上の電圧を印加すると、非導入領域１５内に伸びていた空乏層１７が収縮し、非導入領域１５内に電子の移動経路（チャネル）が開き、電子がソース電極６とドレイン電極１６の間を移動する。一対の負固定電荷導入領域１４，１４の間に存在する非導入領域１５は、ゲート電極２の電圧によって、キャリアが移動できる状態と移動できない状態の間で変化する。図１〜図４の構造では、窒化物半導体からなる電子走行層１２の一部である非導入領域１５にチャネルが形成される。非導入領域１５では電子の移動度が高いために、オン抵抗が低くなる。
図１〜４に示す負固定電荷導入領域１４は、ゲート電極２が延びている方向（ｙ方向）に沿って断続的に配置されている。ゲート絶縁膜４を介してゲート電極２に対向するチャネル領域１２ａをゲート電極２が延びている方向に沿って観測したときに、負固定電荷が導入されている領域１４と負固定電荷が導入されていない領域１５が交互に出現する関係になっている。

【0019】

第１実施例のトランジスタ２０では、ゲート電極２に閾値以上の電圧を印加しない状態では、非導入領域１５に空乏層１７が広がる。非導入領域１５の長さ（＝隣接する一対の負固定電荷導入領域１４，１４間の距離）Ｌ１５を調整することで、空乏層が収縮して非導入領域１５をキャリアが移動できる状態に変化するときのゲート電圧（すなわち閾値電圧）を調整することができる。間隔を狭めれば閾値電圧がプラス側に向けて引き上げられる。一つの具体例では、隣接する一対の負固定電荷導入領域１４間の距離Ｌ１５を１μｍ以下としたときに閾値電圧がプラス電圧となり、ノーマリオフの特性に調整できた。

【0020】

第１実施例のトランジスタ２０では、ゲート電極２に閾値以上の電圧を印加すると、空乏層が収縮して非導入領域１５を電子が移動できる状態となる。非導入領域１５は、ｉ型ＧａＮで形成されており、電子の移動度が高い。オン抵抗は低い。
第１実施例のトランジスタ２０では、負固定電荷導入領域１４を部分的に設ける。図１１の構造では、負固定電荷導入領域１４を全面的に設ける。
前者の場合、隣接する一対の負固定電荷導入領域１４の間の領域（非導入領域１５）では、電子が移動しやすい。負固定電荷導入領域１４を部分的に設けることによるオン抵抗の上昇幅は小さい。
後者の場合、負固定電荷導入領域１４に反転層が形成し、その反転層を電子が移動する現象を利用する。負固定電荷導入領域１４を通過する電子は、負固定電荷導入領域１４に導入されているイオン不純物によって散乱され、オン抵抗が大きく上昇する。
第１実施例の構造によるオン抵抗の増加は、図１１の構造による場合のオン抵抗の上昇よりも格段に低い。
負固定電荷導入領域１４を部分的に設ける場合、負固定電荷導入領域１４には反転層を形成する必要がなく、負固定電荷導入領域１４に導入する負固定電荷の濃度を濃くすることができる。負固定電荷導入領域１４の濃度と非導入領域１５の長さＬ１５を調整することによって、高い閾値電圧と低いオン抵抗を実現することができる。

【0021】

第１実施例では、リセスが、電子供給層１０の下面（＝電子走行層１２の上面）に達している。しかしながら、本明細書に記載の技術は、リセスの深さに限定されない。
図１０の（Ａ）では、リセス底面が電子供給層１０の上面に一致している。（Ｂ）ではリセス底面が電子供給層１０の中間深さに達している。（Ａ）と（Ｂ）の場合は、ゲート絶縁膜４と電子供給層１０を介してゲート電極２に対向する範囲の電子走行層１２（本明細書でいうチャネル領域）をゲート電極２が延びている方向に沿って観測したときに、負固定電荷導入領域１４と非導入領域１５が交互に出現することになる。これもまた、本明細書でいうゲート絶縁膜を介してゲート電極に対向するチャネル領域に負固定電荷導入領域と非導入領域が交互に出現する関係に含まれる。（Ａ）の構造では、負固定電荷導入領域１４を設けることによって閾値電圧がプラス側に向けて引き上げられるが、ヘテロ接合界面に形成される二次元電子ガスの濃度と負固定電荷の濃度の関係から、閾値電圧をプラス電圧にまでシフトさせることができない場合がある。ノーマリオフのためには、後記する（Ｃ）（Ｄ）が好ましい。
図１０の（Ｃ）では、リセス底面が電子供給層１０の下面に一致している。すなわち第１実施例で説明したものである。（Ｄ）ではリセス底面が電子走行層１２の中間深さに達している。（Ｃ）と（Ｄ）の場合は、ゲート絶縁膜４を介して（電子供給層１０を介さないで）ゲート電極２に対向する電子走行層１２（チャネル領域）をゲート電極２が延びている方向に沿って観測したときに、負固定電荷導入領域１４と非導入領域１５が交互に出現することになる。本明細書でいうゲート絶縁膜を介してゲート電極に対向するチャネル領域に負固定電荷導入領域と非導入領域が交互に出現する関係に含まれている。
リセスが、電子走行層１２の上面に達するか、あるいはそれよりも深く、チャネル領域を提供する電子走行層１２が、電子供給層１０を介することなく、ゲート絶縁膜４のみを介してゲート電極２に対向していると、閾値電圧をプラス電圧にシフトさせてノーマリオフに調整し易い。（Ｃ）または（Ｄ）の構造によると、トランジスタに求められる仕様を満たせることが多い。

【0022】

（第２実施例）
図５は、第２実施例のトランジスタの平面図を示す。説明済みの部材と同一または類似部材には同一の参照番号を用い、重複説明を省略する。
図５と図６において、線分Ａはリセスの底面のソース電極６側の境界線を示し、線分Ｂはリセスの底面のドレイン電極１６側の境界線を示している。実際には、ゲート絶縁膜４の膜厚が図６に図示されているものよりも薄いので、線分Ａはゲート電極２の下面のソース電極６側の境界線であり、線分Ｂはゲート電極２の下面のドレイン電極１６側の境界線であるということができる。
図５と図６に示す第２実施例では、負固定電荷導入領域１４ａが、平面視したときに三角形をなす形状となっている。線分Ｂに沿って隣接する一対の負固定電荷導入領域１４ａ間の距離Ｌ１５Ｂを測定すると短く、線分Ｂから線分Ａに近づくほどその距離が増大する。線分Ａに沿った位置にまで負固定電荷導入領域１４ａが達していないために、線分Ａに沿って隣接する一対の負固定電荷導入領域１４ａ間の距離を測定すると、その距離が無限大に引き伸ばされていることがわかる。
図６に示す横型のトランジスタの場合、線分Ｂの近傍に位置する電子走行層１２に電界集中が生じやすい。第２実施例では、電界集中が生じやすい位置では負固定電荷導入領域１４ａが密に配置されており、集中しやすい電界を効果的に緩和している。第２実施例では電界集中の発生が抑えられ、耐圧を高めることができる。
図５の平面図を多数の単位面積に分割し、その単位面積に含まれる負の固定電荷の量（電荷密度に対応する）を想定する。その場合、線分Ｂに沿って計測した平均電荷密度が最大となり、線分ＢからＡ側に近づくほど平均電荷密度は小さくなる。ゲート電極２の下面のソース電極６側の境界線Ａからゲート電極の下面のドレイン電極１６側の境界線Ｂに近づくにつれて前記の平均電荷密度が増大する関係となる負固定電荷導入領域１４ａを形成することで、トランジスタの耐圧を向上させることができる。

【0023】

（第３実施例）
図７に示す実施例では、負固定電荷導入領域１４ｂが、線分Ａから離れ、線分Ｂに接近した位置に形成されている。すなわち線分Ｂ側に偏った位置に形成されている。この実施例によっても、線分Ｂの近傍にある電子走行層１２に生じやすい電界集中が、線分Ｂの近傍では密に配置されている負固定電荷導入領域１４ｂによって効果的に緩和される。このために耐圧を高めることができる。

【0024】

（第４実施例）
ゲート電極に閾値以上の電圧を印加していない状態でも、ソース電極とドレイン電極間に微弱電流が流れ続ける。本明細書ではこの微弱電流をリーク電流という。第４実施例では、リーク電流を減らすことができる。
第４実施例では、電子走行層１２の下面下に、高抵抗層１８を設け、負固定電荷導入領域１４ｃがゲート絶縁膜４の下面から高抵抗層１８の上面にまで達している。すると電子走行層１２のほぼ全域に空乏層が広がり、リーク電流が厳しく抑制される。
高抵抗層１８は、Ｃ，ＦｅまたはＺｎを添加したＧａＮ層で形成することができる。あるいは電子走行層１２を形成する窒化物半導体よりも大きなバンドギャップを持つ窒化物半導体で形成することができる。電子走行層１２がＧａＮで形成されていれば、例えばＡｌＧａＮ層が高抵抗層１８となる。
第４実施例では、負固定電荷導入領域１４ｃが高抵抗層１８にまで到達しているが、負固定電荷導入領域１４ｃが高抵抗層１８に完全に到達しなくてもよい。負固定電荷導入領域１４ｃが高抵抗層１８に接近しているという関係でもリーク電流を抑制することができる。

【0025】

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

【符号の説明】

【0026】

２：ゲート電極
４：ゲート絶縁膜
６：ソース電極
８：スペーサ膜（絶縁膜）
１０：電子供給層（実施例ではＡｌＧａＮ層）
１２：チャネル領域を提供する電子走行層（実施例ではＧａＮ層）
１２ａ：チャネル領域
１４：負固定電荷導入領域
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ：負固定電荷導入領域の変形例
１５：非導入領域
Ｌ１５：隣接する一対の負固定電荷導入領域の間の距離
１６：ドレイン電極
１７：空乏層
１８：高抵抗層
２０：電界効果トランジスタ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】