特許 7061779 ノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系電界効果トランジスタおよび電気機器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-04-21

(45)【発行日】2022-05-02

(54)【発明の名称】ノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系電界効果トランジスタおよび電気機器

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/338 20060101AFI20220422BHJP

   H01L 29/812 20060101ALI20220422BHJP

   H01L 29/778 20060101ALI20220422BHJP

   H01L 21/337 20060101ALI20220422BHJP

   H01L 29/808 20060101ALI20220422BHJP

   H01L 21/336 20060101ALI20220422BHJP

   H01L 29/78 20060101ALI20220422BHJP

   H01L 21/28 20060101ALI20220422BHJP

   H01L 29/423 20060101ALI20220422BHJP

   H01L 29/49 20060101ALI20220422BHJP

   H01L 29/41 20060101ALI20220422BHJP

【ＦＩ】

H01L29/80 E

H01L29/80 H

H01L29/80 C

H01L29/78 301B

H01L21/28 301B

H01L29/80 F

H01L29/58 G

H01L29/58 Z

H01L29/44 L

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2021143739

(22)【出願日】2021-09-03

【審査請求日】2022-02-09

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】301041553

【氏名又は名称】株式会社パウデック

(74)【代理人】

【識別番号】100120640

【弁理士】

【氏名又は名称】森 幸一

(72)【発明者】

【氏名】河合 弘治

(72)【発明者】

【氏名】八木 修一

(72)【発明者】

【氏名】成井 啓修

【審査官】杉山 芳弘

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１５－２０７６１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－２６１０５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－０９１３９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－１０９１３１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２９／７７８

Ｈ０１Ｌ ２９／８１２

Ｈ０１Ｌ ２１／３３８

Ｈ０１Ｌ ２９／８０８

Ｈ０１Ｌ ２１／３３７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１アンドープＧａＮ層と、
上記第１アンドープＧａＮ層上のＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層（０＜ｘ＜１）と、
上記Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層上の、島状の形状を有する第２アンドープＧａＮ層と、
上記第２アンドープＧａＮ層上のｐ型ＧａＮ層と、
上記ｐ型ＧａＮ層上のｐ型Ｉｎ_y Ｇａ_1-y Ｎ層（０＜ｙ＜１）と、
上記Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層上のソース電極と、
上記Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層上のドレイン電極と、
上記ｐ型Ｉｎ_y Ｇａ_1-y Ｎ層と電気的に接続された第１ゲート電極と、
上記Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層上の、上記第２アンドープＧａＮ層の上記ソース電極側の端部に近接したｐ型Ｉｎ_z Ｇａ_1-z Ｎ層（０＜ｚ＜１）および当該ｐ型Ｉｎ_z Ｇａ_1-z Ｎ層上にゲート絶縁膜を介して設けられた第２ゲート電極と、
を有し、
上記Ａｌ _x Ｇａ _1-x Ｎ層は上記第２アンドープＧａＮ層の真下の部分の上部に上記第２アンドープＧａＮ層と同じ島状の形状を有する凸部を有し、当該島状の形状を有する凸部に近接する部分の上記Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層の厚さは当該島状の形状を有する凸部の部分の上記Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層の厚さより小さく、上記ｐ型Ｉｎ_z Ｇａ_1-z Ｎ層、上記ゲート絶縁膜および上記第２ゲート電極は当該島状の形状を有する凸部に近接する部分の上記Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層の平坦な上面に設けられており、
上記第１ゲート電極および上記第２ゲート電極は互いに独立に設けられており、
上記ｐ型ＧａＮ層は上記第２アンドープＧａＮ層の全面または上記ソース電極側の片側部分にのみ存在し、
上記ｐ型Ｉｎ_y Ｇａ_1-y Ｎ層は、上記ｐ型ＧａＮ層が上記第２アンドープＧａＮ層の全面に存在する場合は上記ｐ型ＧａＮ層の上記ソース電極側の片側部分にのみ存在し、上記ｐ型ＧａＮ層が上記第２アンドープＧａＮ層の上記ソース電極側の片側部分にのみ存在する場合は上記ｐ型ＧａＮ層の全面または一部に存在し、
非動作時において、上記第１アンドープＧａＮ層と上記Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層との間のヘテロ界面の近傍の部分における上記第１アンドープＧａＮ層に形成される２次元電子ガスの、上記第２ゲート電極の直下の部分における濃度をｎ₀ 、上記第１ゲート電極の直下の部分における濃度をｎ₁ 、分極超接合領域における濃度をｎ₂ 、上記分極超接合領域と上記ドレイン電極との間の部分における濃度をｎ₃ としたとき、
ｎ₀ ≦ｎ₁ ＜ｎ₂ ＜ｎ₃ かつｎ₀ ＜（１／１０００）×ｎ₃
であり、かつ、上記第２アンドープＧａＮ層と上記Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層との間のヘテロ界面の近傍の部分における上記第２アンドープＧａＮ層に形成される２次元正孔ガスの、上記第１ゲート電極の直下の部分における濃度をｐ₁ 、上記分極超接合領域における濃度をｐ₂ としたとき、
ｐ₁ ＞ｐ₂
であるノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系電界効果トランジスタ。

【請求項2】

上記ｐ型Ｉｎ_y Ｇａ_1-y Ｎ層のＩｎ組成ｙおよび厚さｔはｙ×ｔ≦０．２０×５［ｎｍ］を満たすように選ばれ、上記ｐ型Ｉｎ_z Ｇａ_1-z Ｎ層のＩｎ組成ｚおよび厚さｔはｚ×ｔ≦０．２０×５［ｎｍ］を満たすように選ばれている請求項１記載のノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系電界効果トランジスタ。

【請求項3】

上記第１ゲート電極と上記第２ゲート電極とが互いに電気的に接続され、一体のゲート電極として動作する請求項１または２記載のノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系電界効果トランジスタ。

【請求項4】

上記第１ゲート電極と上記ソース電極とが互いに電気的に接続され、上記第１ゲート電極がフィールドプレートとして作用する請求項１または２記載のノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系電界効果トランジスタ。

【請求項5】

上記第１ゲート電極が上記ソース電極の電位に対して正の電位に固定されている請求項１または２記載のノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系電界効果トランジスタ。

【請求項6】

上記第１ゲート電極、上記第２ゲート電極および上記ソース電極が互いに電気的に接続され、ダイオードの動作をする請求項１または２記載のノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系電界効果トランジスタ。

【請求項7】

少なくとも一つのトランジスタを有し、
上記トランジスタが、
第１アンドープＧａＮ層と、
上記第１アンドープＧａＮ層上のＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層（０＜ｘ＜１）と、
上記Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層上の、島状の形状を有する第２アンドープＧａＮ層と、
上記第２アンドープＧａＮ層上のｐ型ＧａＮ層と、
上記ｐ型ＧａＮ層上のｐ型Ｉｎ_y Ｇａ_1-y Ｎ層（０＜ｙ＜１）と、
上記Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層上のソース電極と、
上記Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層上のドレイン電極と、
上記ｐ型Ｉｎ_y Ｇａ_1-y Ｎ層と電気的に接続された第１ゲート電極と、
上記Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層上の、上記第２アンドープＧａＮ層の上記ソース電極側の端部に近接したｐ型Ｉｎ_z Ｇａ_1-z Ｎ層（０＜ｚ＜１）および当該ｐ型Ｉｎ_z Ｇａ_1-z Ｎ層上にゲート絶縁膜を介して設けられた第２ゲート電極と、
を有し、
上記Ａｌ _x Ｇａ _1-x Ｎ層は上記第２アンドープＧａＮ層の真下の部分の上部に上記第２アンドープＧａＮ層と同じ島状の形状を有する凸部を有し、当該島状の形状を有する凸部に近接する部分の上記Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層の厚さは当該島状の形状を有する凸部の部分の上記Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層の厚さより小さく、上記ｐ型Ｉｎ_z Ｇａ_1-z Ｎ層、上記ゲート絶縁膜および上記第２ゲート電極は当該島状の形状を有する凸部に近接する部分の上記Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層の平坦な上面に設けられており、
上記第１ゲート電極および上記第２ゲート電極は互いに独立に設けられており、
上記ｐ型ＧａＮ層は上記第２アンドープＧａＮ層の全面または上記ソース電極側の片側部分にのみ存在し、
上記ｐ型Ｉｎ_y Ｇａ_1-y Ｎ層は、上記ｐ型ＧａＮ層が上記第２アンドープＧａＮ層の全面に存在する場合は上記ｐ型ＧａＮ層の上記ソース電極側の片側部分にのみ存在し、上記ｐ型ＧａＮ層が上記第２アンドープＧａＮ層の上記ソース電極側の片側部分にのみ存在する場合は上記ｐ型ＧａＮ層の全面または一部に存在し、
非動作時において、上記第１アンドープＧａＮ層と上記Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層との間のヘテロ界面の近傍の部分における上記第１アンドープＧａＮ層に形成される２次元電子ガスの、上記第２ゲート電極の直下の部分における濃度をｎ₀ 、上記第１ゲート電極の直下の部分における濃度をｎ₁ 、分極超接合領域における濃度をｎ₂ 、上記分極超接合領域と上記ドレイン電極との間の部分における濃度をｎ₃ としたとき、
ｎ₀ ≦ｎ₁ ＜ｎ₂ ＜ｎ₃ かつｎ₀ ＜（１／１０００）×ｎ₃
であり、かつ、上記第２アンドープＧａＮ層と上記Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層との間のヘテロ界面の近傍の部分における上記第２アンドープＧａＮ層に形成される２次元正孔ガスの、上記第１ゲート電極の直下の部分における濃度をｐ₁ 、上記分極超接合領域における濃度をｐ₂ としたとき、
ｐ₁ ＞ｐ₂
であるノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系電界効果トランジスタである電気機器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、ノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ（窒化ガリウム）系電界効果トランジスタおよびこのノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系電界効果トランジスタを用いた電気機器に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、パワートランジスタとして分極超接合（Polarization Super Junction;ＰＳＪ）ＧａＮ系電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）が知られている（特許文献１、２参照）。この分極超接合ＧａＮ系電界効果トランジスタは、アンドープＧａＮ層、Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層およびアンドープＧａＮ層が順次積層された構造を含む分極超接合領域を有する。この分極超接合ＧａＮ系電界効果トランジスタは、シリコン（Ｓｉ）系のパワートランジスタでは実現が難しい、高耐圧、高出力、高効率、高速動作が可能である。

【0003】

なお、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor)においては、ＡｌＧａＮ層上にアンドープＩｎＧａＮ層あるいはｐ型ＩｎＧａＮ層を設け、その上にゲート電極を設けた構造とすることでノーマリーオフ型とすることが知られている（非特許文献１、２参照）。また、ダブルゲート分極超接合ＧａＮ系電界効果トランジスタにより構成されたダイオードが知られている（特許文献３参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特許第５８２８４３５号公報

【文献】特許第５６６９１１９号公報

【文献】特許第６６７９０３６号公報

【非特許文献】

【0005】

【文献】Mizutani et al.,“AlGaN/GaN HEMTs with thin InGaN cap layerfor normally-off operation”，IEEE Electron Device Letters, Vol.28, No.7,p.549,July(2007)

【文献】李旭、他、“ｐ－ＩｎＧａＮ ｃａｐ層を用いたノーマリーオフ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴｓ”，信学技報（ＩＥＩＣＥ technical report），２００８

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１、２に記載の分極超接合ＧａＮ系電界効果トランジスタは、主として、非動作時（熱平衡状態）にゲート電極直下の部分も含めて、下層のアンドープＧａＮ層とＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層との間のヘテロ界面の近傍の部分におけるアンドープＧａＮ層に２次元電子ガス（２ＤＥＧ）が存在しているため、ゲート電圧Ｖ_g ＝０Ｖやオープン状態のときに、ソース電極とドレイン電極との間に電圧を印加したとき、ソース電極とドレイン電極との間に電流が流れる、所謂ノーマリーオン型のトランジスタであった。

【0007】

一方、トランジスタには、制御信号（ゲート信号）喪失のときにトランジスタがオフ状態である、所謂フェールセーフ動作が求められることも多い。特許文献１、２に記載のノーマリーオン型の分極超接合ＧａＮ系電界効果トランジスタでは、低耐圧ノーマリーオフ型ＳｉＭＯＳトランジスタを用いてカスコード回路あるいは変形カスコード回路を組むことでノーマリーオフ型化することが可能とされているが、この場合、回路が複雑化する点で不利となる。

【0008】

そこで、この発明が解決しようとする課題は、複雑な回路を用いることなくノーマリーオフ型トランジスタを容易に実現することができるノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系電界効果トランジスタおよびこのノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系電界効果トランジスタを用いた高性能の電気機器を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記課題を解決するために、この発明は、
第１アンドープＧａＮ層と、
上記第１アンドープＧａＮ層上のＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層（０＜ｘ＜１）と、
上記Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層上の、島状の形状を有する第２アンドープＧａＮ層と、
上記第２アンドープＧａＮ層上のｐ型ＧａＮ層と、
上記ｐ型ＧａＮ層上のｐ型Ｉｎ_y Ｇａ_1-y Ｎ層（０＜ｙ＜１）と、
上記Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層上のソース電極と、
上記Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層上のドレイン電極と、
上記ｐ型Ｉｎ_y Ｇａ_1-y Ｎ層と電気的に接続された第１ゲート電極と、
上記Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層上の、上記第２アンドープＧａＮ層の上記ソース電極側の端部に近接したｐ型Ｉｎ_z Ｇａ_1-z Ｎ層（０＜ｚ＜１）および当該ｐ型Ｉｎ_z Ｇａ_1-z Ｎ層上にゲート絶縁膜を介して設けられた第２ゲート電極と、
を有し、
上記ｐ型ＧａＮ層は上記第２アンドープＧａＮ層の全面または上記ソース電極側の片側部分にのみ存在し、
上記ｐ型Ｉｎ_y Ｇａ_1-y Ｎ層は、上記ｐ型ＧａＮ層が上記第２アンドープＧａＮ層の全面に存在する場合は上記ｐ型ＧａＮ層の上記ソース電極側の片側部分にのみ存在し、上記ｐ型ＧａＮ層が上記第２アンドープＧａＮ層の上記ソース電極側の片側部分にのみ存在する場合は上記ｐ型ＧａＮ層の全面または一部に存在し、
非動作時において、上記第１アンドープＧａＮ層と上記Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層との間のヘテロ界面の近傍の部分における上記第１のアンドープＧａＮ層に形成される２次元電子ガスの、上記第２ゲート電極の直下の部分における濃度をｎ₀ 、上記第１ゲート電極の直下の部分における濃度をｎ₁ 、分極超接合領域における濃度をｎ₂ 、上記分極超接合領域と上記ドレイン電極との間の部分における濃度をｎ₃ としたとき、
ｎ₀ ≦ｎ₁ ＜ｎ₂ ＜ｎ₃
であるノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系電界効果トランジスタである。

【0010】

このノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系電界効果トランジスタにおいて、分極超接合領域は、ｐ型ＧａＮ層が第２アンドープＧａＮ層の全面に存在する場合は、ゲート電極コンタクト領域の部分を除いた部分の第１アンドープＧａＮ層、Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層、第２アンドープＧａＮ層およびｐ型ＧａＮ層からなり、ｐ型ＧａＮ層が第２アンドープＧａＮ層のソース電極側の片側部分にのみ存在する場合は、ｐ型ＧａＮ層が存在しない部分の第１アンドープＧａＮ層、Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層および第２アンドープＧａＮ層からなる。分極超接合領域が前者のように第１アンドープＧａＮ層、Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層、第２アンドープＧａＮ層およびｐ型ＧａＮ層からなる場合、第１アンドープＧａＮ層の厚さ、Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層の厚さおよびＡｌ組成ｘ、第２アンドープＧａＮ層の厚さ、ｐ型ＧａＮ層の厚さおよび不純物濃度は、典型的には、特許文献２に準拠して選択される。また、分極超接合領域が後者のように第１アンドープＧａＮ層、Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層および第２アンドープＧａＮ層からなる場合、第１アンドープＧａＮ層の厚さ、Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層の厚さおよびＡｌ組成ｘ、第２アンドープＧａＮ層の厚さは、典型的には、特許文献１に準拠して選択される。

【0011】

このノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系電界効果トランジスタにおいては、典型的には、非動作時において、第２アンドープＧａＮ層とＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層との間のヘテロ界面の近傍の部分における第２のアンドープＧａＮ層に形成される２次元正孔ガスの、第１ゲート電極の直下の部分における濃度をｐ₁ 、分極超接合領域における濃度をｐ₂ としたとき、
ｐ₁ ＞ｐ₂
である。

【0012】

Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層は、典型的にはアンドープであるが、ドナー（ｎ型不純物）またはアクセプタ（ｐ型不純物）がドープされたｎ型またはｐ型のＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層、例えばＳｉがドープされたｎ型Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層であってもよい。Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層は典型的にはアンドープである。必要に応じて、第１アンドープＧａＮ層とＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層との間、および／または、第２アンドープＧａＮ層とＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層との間に、典型的にはアンドープのＡｌ_u Ｇａ_1-u Ｎ層（０＜ｕ≦１、ｕ＞ｘ）、例えばＡｌＮ層が設けられる。第２アンドープＧａＮ層とＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層との間にＡｌ_u Ｇａ_1-u Ｎ層を設けることで、第２アンドープＧａＮ層とＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層との間のヘテロ界面の近傍の部分における第２アンドープＧａＮ層に形成される２次元正孔ガスのＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層側への染み込みを少なくすることができ、正孔の移動度を格段に増加させることができる。また、第１アンドープＧａＮ層とＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層との間にＡｌ_u Ｇａ_1-u Ｎ層を設けることで、第１アンドープＧａＮ層とＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層との間のヘテロ界面の近傍の部分における第１アンドープＧａＮ層に形成される２次元電子ガスのＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層側への染み込みを少なくすることができ、電子の移動度を格段に増加させることができる。このＡｌ_u Ｇａ_1-u Ｎ層は一般的には十分に薄くてよく、例えば０．５～２ｎｍ程度で足りる。

【0013】

典型的には、第２ゲート電極のゲート電圧が０［Ｖ］、ドレイン電圧が１．０［Ｖ］のときのドレイン電流が、第２ゲート電極のゲート電圧が５［Ｖ］のときのドレイン電流（定格電流）の１／１００以下である。

【0014】

このノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系電界効果トランジスタの各端子は用途に応じて接続することができる。例えば、第１ゲート電極と第２ゲート電極とを互いに電気的に接続することにより、一体のゲート電極として動作させることができる。また、第１ゲート電極とソース電極とを互いに電気的に接続することにより、第１ゲート電極をフィールドプレートとして作用させることができる。また、第１ゲート電極をソース電極の電位に対して正の電位に固定してもよい。また、第１ゲート電極、第２ゲート電極およびソース電極を互いに電気的に接続することにより、ダイオードの動作をさせることができる。

【0015】

ｐ型Ｉｎ_y Ｇａ_1-y Ｎ層およびｐ型Ｉｎ_z Ｇａ_1-z Ｎ層は、基本的にはどのような方法によって形成してもよいが、スパッタリング法によれば簡便に形成することができる。

【0016】

また、この発明は、
少なくとも一つのトランジスタを有し、
上記トランジスタが、
第１アンドープＧａＮ層と、
上記第１アンドープＧａＮ層上のＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層（０＜ｘ＜１）と、
上記Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層上の、島状の形状を有する第２アンドープＧａＮ層と、
上記第２アンドープＧａＮ層上のｐ型ＧａＮ層と、
上記ｐ型ＧａＮ層上のｐ型Ｉｎ_y Ｇａ_1-y Ｎ層（０＜ｙ＜１）と、
上記Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層上のソース電極と、
上記Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層上のドレイン電極と、
上記ｐ型Ｉｎ_y Ｇａ_1-y Ｎ層と電気的に接続された第１ゲート電極と、
上記Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層上の、上記第２アンドープＧａＮ層の上記ソース電極側の端部に近接したｐ型Ｉｎ_z Ｇａ_1-z Ｎ層（０＜ｚ＜１）および当該ｐ型Ｉｎ_z Ｇａ_1-z Ｎ層上にゲート絶縁膜を介して設けられた第２ゲート電極と、
を有し、
上記ｐ型ＧａＮ層は上記第２アンドープＧａＮ層の全面または上記ソース電極側の片側部分にのみ存在し、
上記ｐ型Ｉｎ_y Ｇａ_1-y Ｎ層は、上記ｐ型ＧａＮ層が上記第２アンドープＧａＮ層の全面に存在する場合は上記ｐ型ＧａＮ層の上記ソース電極側の片側部分にのみ存在し、上記ｐ型ＧａＮ層が上記第２アンドープＧａＮ層の上記ソース電極側の片側部分にのみ存在する場合は上記ｐ型ＧａＮ層の全面または一部に存在し、
非動作時において、上記第１アンドープＧａＮ層と上記Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層との間のヘテロ界面の近傍の部分における上記第１のアンドープＧａＮ層に形成される２次元電子ガスの、上記第２ゲート電極の直下の部分における濃度をｎ₀ 、上記第１ゲート電極の直下の部分における濃度をｎ₁ 、分極超接合領域における濃度をｎ₂ 、上記分極超接合領域と上記ドレイン電極との間の部分における濃度をｎ₃ としたとき、
ｎ₀ ≦ｎ₁ ＜ｎ₂ ＜ｎ₃
であるノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系電界効果トランジスタである電気機器である。

【0017】

ここで、電気機器は、およそ電気を用いるもの全てを含み、用途、機能、大きさなどを問わないが、例えば、電子機器、移動体、動力装置、建設機械、工作機械などである。電子機器は、ロボット、コンピュータ、ゲーム機器、車載機器、家庭電気製品（エアコンディショナーなど）、工業製品、携帯電話、モバイル機器、ＩＴ機器（サーバーなど）、太陽光発電システムで使用するパワーコンディショナー、送電システムなどである。移動体は、鉄道車両、自動車（電動車両など）、二輪車、航空機、ロケット、宇宙船などである。

【0018】

この電気機器の発明においては、上記以外のことについては、その性質に反しない限り、上記のノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系電界効果トランジスタの発明に関連して説明したことが成立する。

【発明の効果】

【0019】

この発明によれば、非動作時（熱平衡時）において第２ゲート電極の直下の部分に２次元電子ガスが実質的に存在しないことにより、複雑な回路を用いることなくノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系電界効果トランジスタを容易に実現することができ、このノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系電界効果トランジスタを用いて高性能の電子機器を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】この発明の第１の実施の形態によるノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴを示す断面図である。

【図2】この発明の第１の実施の形態によるノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴの各領域のエネルギーバンド図を示す略線図である。

【図3A】この発明の第１の実施の形態によるノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴのゲート電極２０の直下の領域のエネルギーバンド図を示す略線図である。

【図3B】この発明の第１の実施の形態によるノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴとの比較のための参考例によるノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴのゲート電極２０の直下の領域のエネルギーバンド図を示す略線図である。

【図4A】この発明の第１の実施の形態によるノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴのゲート電圧印加時のゲート電極２０の直下の領域のエネルギーバンド図を示す略線図である。

【図4B】この発明の第１の実施の形態によるノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴとの比較のための参考例によるノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴのゲート電圧印加時のゲート電極２０の直下の領域のエネルギーバンド図を示す略線図である。

【図5】この発明の第１の実施の形態によるノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴの動作メカニズムを説明するための断面図である。

【図6】この発明の第１の実施の形態によるノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴのドレイン－ソース間に逆バイアスを印加し、ゲート－ソース間に０Ｖを印加した時の電界分布を示す略線図である。

【図7】この発明の第１の実施の形態によるノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴのドレイン－ソース間に逆バイアスを印加し、ゲート－ソース間に０Ｖを印加した時の電位分布を示す略線図である。

【図8】この発明の第１の実施の形態によるノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴの製造方法を説明するための断面図である。

【図9】この発明の第１の実施の形態によるノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴの製造方法を説明するための断面図である。

【図10】この発明の第１の実施の形態によるノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴの製造方法を説明するための断面図である。

【図11】この発明の第１の実施の形態によるノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴの製造方法を説明するための断面図である。

【図12】参考例によるノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴの静特性を測定するために用いた測定回路を示す回路図である。

【図13】参考例によるノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴのドレイン電流－ドレイン電圧特性を示す略線図である。

【図14】参考例によるノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴのドレイン電流－ゲート電圧特性を示す略線図である。

【図15】図１４に示すドレイン電流－ゲート電圧特性のドレイン電流を対数表示した略線図である。

【図16】参考例によるノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴのオフ状態の耐圧特性を示す略線図である。

【図17A】参考例によるノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴの特定領域の２次元電子ガス濃度および２次元正孔ガス濃度を測定するために作製したホール素子を示す断面図である。

【図17B】参考例によるノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴの特定領域の２次元電子ガス濃度および２次元正孔ガス濃度を測定するために作製したホール素子を示す断面図である。

【図17C】参考例によるノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴの特定領域の２次元電子ガス濃度および２次元正孔ガス濃度を測定するために作製したホール素子を示す断面図である。

【図17D】参考例によるノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴの特定領域の２次元電子ガス濃度および２次元正孔ガス濃度を測定するために作製したホール素子を示す断面図である。

【図18A】図１７Ａおよび図１７Ｄに示すホール素子の電極配置を示す平面図である。

【図18B】図１７Ｂおよび図１７Ｃに示すホール素子の電極配置を示す平面図である。

【図19A】この発明の第１の実施の形態によるノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴの端子の接続方法の第１の例を示す回路図である。

【図19B】この発明の第１の実施の形態によるノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴの端子の接続方法の第２の例を示す回路図である。

【図19C】この発明の第１の実施の形態によるノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴの端子の接続方法の第３の例を示す回路図である。

【図19D】この発明の第１の実施の形態によるノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴの端子の接続方法の第４の例を示す回路図である。

【図20】この発明の第２の実施の形態によるノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴを示す断面図である。

【図21】この発明の第３の実施の形態によるノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴを示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、発明を実施するための形態（以下、実施の形態という。）について説明する。
〈第１の実施の形態〉
［ノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴ］

【0022】

図１に示すように、第１の実施の形態によるノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴにおいては、基板１０上に、バッファ層（図示せず）を介して、アンドープＧａＮ層１１、Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層１２およびアンドープＧａＮ層１３が順次積層されている。基板１０は、好適には、ＧａＮ系半導体がＣ面成長する基板、例えば、Ｃ面サファイア基板、Ｓｉ基板、ＳｉＣ基板などである。バッファ層は、例えば、多結晶あるいは非晶質のＧａＮやＡｌＮやＡｌＧａＮ、さらにはＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子などからなる。Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層１２は典型的にはアンドープであるが、ドナー（ｎ型不純物）またはアクセプタ（ｐ型不純物）がドープされたｎ型またはｐ型のＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層であってもよい。アンドープＧａＮ層１３は島状の形状を有し、その周囲にはＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層１２が露出している。図１においては、Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層１２の上部もアンドープＧａＮ層１３と同じ島状の形状を有し、その他の部分のＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層１２の厚さが島状の部分のＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層１２の厚さより小さい場合が示されているが、Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層１２の上部が島状の形状を有しておらず、Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層１２の厚さが均一であってもよい。アンドープＧａＮ層１３上には全面にｐ型ＧａＮ層１４が積層されている。ｐ型ＧａＮ層１４のうちの後述のドレイン電極１８側の片側部分の厚さは後述のソース電極１７側の片側部分の厚さに比べて小さくなっている。ｐ型ＧａＮ層１４のこの厚さが小さい部分は分極超接合領域（ＰＳＪ領域）に対応する。厚さが大きい部分のｐ型ＧａＮ層１４上にはｐ型Ｉｎ_y Ｇａ_1-y Ｎ層１５が積層されている。ｐ型Ｉｎ_y Ｇａ_1-y Ｎ層１５は厚さが大きい部分のｐ型ＧａＮ層１４の全面に積層されていてもよいが、ここでは、厚さが大きい部分のｐ型ＧａＮ層１４のドレイン電極１８側の一部を除いた部分にのみ形成されている場合が図示されている。ｐ型ＧａＮ層１４にはｐ型不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）がドープされ、ｐ型Ｉｎ_y Ｇａ_1-y Ｎ層１５には同じくＭｇがドープされている。ｐ型Ｉｎ_y Ｇａ_1-y Ｎ層１５のＩｎ組成ｙは０＜ｙ＜１である。より詳細には、ｐ型Ｉｎ_y Ｇａ_1-y Ｎ層１５のＩｎ組成ｙおよび厚さｔは必要に応じて選ばれるが、Ｉｎ組成ｙは典型的には０．２０以下に選ばれる。Ｉｎ組成ｙおよび厚さｔは典型的には概ねｙ×ｔ≦０．２０×５［ｎｍ］を満たすように選ばれる。例えば、ｙ＝０．１０の場合には概ねｔ＝１０ｎｍあるいはそれ以下に選ばれる。

【0023】

ｐ型Ｉｎ_y Ｇａ_1-y Ｎ層１５上にゲート電極１６が設けられている。ゲート電極１６はｐ型Ｉｎ_y Ｇａ_1-y Ｎ層１５にオーミックコンタクトさせるため、仕事関数が大きい金属、例えば典型的にはニッケル（Ｎｉ）により形成される。ゲート電極１６は、Ｎｉ膜上に他の金属膜を積層した積層膜からなるものであってもよい。また、Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層１２上に、アンドープＧａＮ層１３、ｐ型ＧａＮ層１４およびｐ型Ｉｎ_y Ｇａ_1-y Ｎ層１５からなる島状の積層構造に関してｐ型Ｉｎ_y Ｇａ_1-y Ｎ層１５側の部分にソース電極１７が、反対側の部分にドレイン電極１８がそれぞれ設けられている。ソース電極１７およびドレイン電極１８は、後述のとおり、アンドープＧａＮ層１１とＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層１２との間のヘテロ界面の近傍の部分におけるアンドープＧａＮ層１１に形成される２ＤＥＧにオーミックコンタクトすることができるように、仕事関数が小さい金属、典型的には例えばチタン（Ｔｉ）により構成される。ソース電極１７およびドレイン電極１８は、Ｔｉ膜の上にアルミニウム（Ａｌ）膜、ニッケル（Ｎｉ）膜、金（Ａｕ）膜などを積層した積層膜からなるものであってもよい。Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層１２上にはさらに、島状のＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層１２の上部およびアンドープＧａＮ層１３のソース電極１７側の端部に近接してｐ型Ｉｎ_z Ｇａ_1-z Ｎ層１９が設けられ、その上にゲート絶縁膜２３を介してゲート電極２０が設けられている。すなわち、ゲート電極２０、ゲート絶縁膜２３およびｐ型Ｉｎ_z Ｇａ_1-z Ｎ層１９によりＭＩＳ構造が形成されている。このようにゲート電極２０の部分がＭＩＳ構造となっているため、このノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴをオフの状態からオンにするときにゲート電極２０に例えば＋３Ｖ以上のゲート電圧を印加した場合に、たとえ後述の２ＤＥＧ２２の一部の電子がＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層１２を通ってｐ型Ｉｎ_z Ｇａ_1-z Ｎ層１９に達したとしてもゲート絶縁膜２３により阻まれてゲート電極２０に到達せず、その結果、チャネルに流れるゲート電流の大幅な低減を図ることができる。ｐ型Ｉｎ_z Ｇａ_1-z Ｎ層１９のＩｎ組成ｚはｐ型Ｉｎ_y Ｇａ_1-y Ｎ層１５のＩｎ組成ｙと同一でも異なっていてもよい。ｐ型Ｉｎ_z Ｇａ_1-z Ｎ層１９のＩｎ組成ｚは０＜ｚ＜１である。より詳細には、ｐ型Ｉｎ_z Ｇａ_1-z Ｎ層１９のＩｎ組成ｚおよび厚さｔは必要に応じて選ばれるが、Ｉｎ組成ｚは典型的には０．２０以下に選ばれる。Ｉｎ組成ｚおよび厚さｔは典型的には概ねｚ×ｔ≦０．２０×５［ｎｍ］を満たすように選ばれる。例えば、ｚ＝０．１０の場合には概ねｔ＝１０ｎｍあるいはそれ以下に選ばれる。ゲート絶縁膜２３は、無機酸化物、無機窒化物、無機酸窒化物などからなり、具体的には、例えば、Ａｌ₂ Ｏ₃ 、ＳｉＯ₂ 、ＡｌＮ、ＳｉＮ_x 、ＳｉＯＮなどからなるが、これに限定されるものではない。ゲート絶縁膜２３の厚さは必要に応じて選ばれるが、例えば３ｎｍ以上１００ｎｍ以下、典型的には３ｎｍ以上３０ｎｍ以下である。

【0024】

このノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴにおいては、ｐ型ＧａＮ層１４のうちの厚さが小さい部分、この部分の直下のアンドープＧａＮ層１３、Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層１２よびアンドープＧａＮ層１１が分極超接合領域（真性分極超接合領域）を構成する。ｐ型Ｉｎ_y Ｇａ_1-y Ｎ層１５、厚さが大きい部分のｐ型ＧａＮ層１４およびこのｐ型ＧａＮ層１４の直下のアンドープＧａＮ層１３、Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層１２およびアンドープＧａＮ層１１はゲート電極コンタクト領域を構成する。

【0025】

このノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴにおいては、ピエゾ分極および自発分極により、アンドープＧａＮ層１１とＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層１２との間のヘテロ界面の近傍の部分におけるＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層１２に正の固定電荷が誘起され、また、Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層１２とアンドープＧａＮ層１３との間のヘテロ界面の近傍の部分におけるＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層１２に負の固定電荷が誘起されている。このため、このノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴにおいては、非動作時（熱平衡状態）に、Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層１２とアンドープＧａＮ層１３との間のヘテロ界面の近傍の部分におけるアンドープＧａＮ層１３に２ＤＨＧ２１が形成され、かつ、アンドープＧａＮ層１１とＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層１２との間のヘテロ界面の近傍の部分におけるアンドープＧａＮ層１１に２ＤＥＧ２２が形成されている。

【0026】

このノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴにおいては、非動作時（熱平衡状態）において、ゲート電極２０の直下の部分における２ＤＥＧ２２の濃度ｎ₀ 、ゲート電極１６の直下の部分における２ＤＥＧ２２の濃度ｎ₁ 、分極超接合領域における２ＤＥＧ２２の濃度ｎ₂ 、分極超接合領域とドレイン電極１８との間の部分における２ＤＥＧ２２の濃度ｎ₃ に対し、ｎ₀ ≦ｎ₁ ＜ｎ₂ ＜ｎ₃ が成立する。ゲート電極２０とソース電極１７との間の部分における２ＤＥＧ２２の濃度もｎ₃ である。図１においては、ｎ₀ ≦ｎ₁ ＜ｎ₂ ＜ｎ₃ の大小関係を電子を示す○の大きさおよび密度で模式的に示している。この場合、ゲート電極２０の直下の部分における２ＤＥＧ２２の濃度ｎ₀ は、２ＤＥＧ２２がほぼ空乏化していると言える程度に十分に低くなっている。このため、２ＤＥＧ２２からなる電子チャネルは、ゲート電極２０の直下の部分において途絶していると言える。典型的には、ｎ₀ ＜（１／１０００）×ｎ₃ である。一方、ゲート電極１６の直下の部分における２ＤＨＧ２１の濃度ｐ₁ 、分極超接合領域における２ＤＨＧ２１の濃度ｐ₂ に対し、概ねｐ₁ ＞ｐ₂ が成立している。

【0027】

このノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴの各領域における基板１０に垂直な方向のエネルギーバンド図を図２に示す。図２の左から順に、ゲート電極２０の直下の部分のエネルギーバンド図、ゲート電極１６の直下の部分のエネルギーバンド図、分極超接合領域の部分のエネルギーバンド図および分極超接合領域とドレイン電極１８との間の部分のエネルギーバンド図が示されている。これらのエネルギーバンド図は各部の２ＤＥＧ２２および２ＤＨＧ２１の相対的な濃度を示すための定性的なものである。図２において、縦軸は電子エネルギー、Ｅ_c は伝導帯の下端のエネルギー、Ｅ_v は価電子帯の上端のエネルギー、Ｅ_f はフェルミエネルギーを示す。図２に示すように、分極超接合領域とドレイン電極１８との間の部分においては、アンドープＧａＮ層１１とＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層１２との間のヘテロ界面の近傍の部分におけるアンドープＧａＮ層１１に濃度ｎ₃ の２ＤＥＧ２２が形成されている。また、分極超接合領域においては、アンドープＧａＮ層１３およびｐ型ＧａＮ層１４による分極効果により伝導帯が引き上げられ、結果としてアンドープＧａＮ層１１とＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層１２との間のヘテロ界面の近傍の部分におけるアンドープＧａＮ層１１に形成される２ＤＥＧ２２の濃度ｎ₂ は濃度ｎ₃ より低くなる。分極超接合領域においては、同じ効果により価電子帯が引き上げられ、結果としてアンドープＧａＮ層１３とＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層１２との間のヘテロ界面の近傍の部分における価電子帯に濃度ｐ₂ の２ＤＨＧ２１が形成される。ゲート電極１６の部分においては、ｐ型Ｉｎ_y Ｇａ_1-y Ｎ層１５により伝導帯がさらに引き上げられ、結果としてアンドープＧａＮ層１１とＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層１２との間のヘテロ界面の近傍の部分におけるアンドープＧａＮ層１１に形成される２ＤＥＧ２２の濃度ｎ₁ は濃度ｎ₂ より低くなる。ゲート電極１６の部分においては、同じ効果により価電子帯がさらに引き上げられ、結果としてアンドープＧａＮ層１３とＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層１２との間のヘテロ界面の近傍の部分における価電子帯に濃度ｐ₂ より大きい濃度ｐ₁ の２ＤＨＧ２１が形成される。ゲート電極２０の部分においては、ｐ型Ｉｎ_z Ｇａ_1-z Ｎ層１９による分極効果により、２ＤＥＧ２２の濃度ｎ₀ は、この部分で２ＤＥＧ２２からなる電子チャネルが途絶されるように、少なくともｎ₁ 以下の極めて小さい濃度、実質的に０になっている。

【0028】

図３Ａに、このノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴのゲート電極２０の直下の部分のエネルギーバンド図を拡大して示す。図３Ａでは、一例としてゲート絶縁膜２３としてＳｉＮ_x を想定している。図３Ａ中、ΔＥ_c は、アンドープＧａＮ層１１とＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層１２との間のヘテロ界面におけるアンドープＧａＮ層１１のＥ_c とＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層１２のＥ_c との差（バンド（伝導帯）不連続値）を示す。このノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴとの比較のために、ゲート電極２０をゲート絶縁膜２３を介してｐ型Ｉｎ_z Ｇａ_1-z Ｎ層１９上に設けるのではなく、ｐ型Ｉｎ_z Ｇａ_1-z Ｎ層１９上に直接設けたことを除いてこのノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴと同一の構造を有する参考例によるノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴのゲート電極２０の直下の部分のエネルギーバンド図を図３Ｂに示す。ｐ型Ｉｎ_z Ｇａ_1-z Ｎ層１９上に直接設けたゲート電極２０はｐ型Ｉｎ_z Ｇａ_1-z Ｎ層１９とショットキー接触している。図３Ａと図３Ｂとを比較すると、両エネルギーバンド図は実質的に同一であることが分かる。図３Ａに示すノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴにおいてゲート電極２０に正のゲート電圧Ｖ_g を印加したときのエネルギーバンド図を図４Ａに、図３Ｂに示す参考例によるノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴにおいてゲート電極２０に同じく正のゲート電圧Ｖ_g を印加したときのエネルギーバンド図を図４Ｂに示す。図３Ａに示すノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴと図３Ｂに示すノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴとの相違点は、前者においては正のゲート電圧Ｖ_g の印加時にゲート絶縁膜２３のバンドを図４Ａに示すように傾斜させるため、その分、図３Ｂに示す参考例によるノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴに比べて大きな正のゲート電圧Ｖ_g を印加し、負のゲート電圧Ｖ_g の印加時も同様により大きな負のゲート電圧Ｖ_g を印加することだけである。

【0029】

［ノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴの動作メカニズム］
図５に示すように、ソース電極１７、ゲート電極１６およびゲート電極２０を互いに結線し、これらのソース電極１７、ゲート電極１６およびゲート電極２０に対し、ドレイン電極１８に正電圧Ｖ_dgを印加する。この場合、ゲート電極１６とドレイン電極１８との間およびゲート電極２０とドレイン電極１８との間は逆バイアスとなって分極超接合領域の２ＤＨＧ２１の正孔はゲート電極１６から引き抜かれ、分極超接合領域の２ＤＥＧ２２の電子はドレイン電極１８から引き抜かれる。ゲート電極２０の直下の２ＤＥＧ２２の濃度ｎ₀ は実質的に０であるので、ソース電極１７から２ＤＥＧ２２を介してドレイン電極１８に流れる電流はない。すなわち、ノーマリーオフとなっている。

【0030】

この状態のノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴの電界分布および電位分布をそれぞれ図６および図７に示す。図６に示すように、分極超接合領域においては、電界はほぼ一様である。このため、図７に示すように、分極超接合領域においては、電位はなだらかにドレイン電極１８側に向かって下降する。図６に示すように、分極超接合領域のドレイン電極１８側の端部では、濃度ｎ₂ の２ＤＥＧ２２と濃度ｎ₃ の２ＤＥＧ２２との接続点でピーク電界が発生するが、そのピーク電界が受け持つ電圧に比較して分極超接合領域本体が受け持つ電圧の方が遙かに大きい。すなわち、このノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴが破壊に至る電圧は分極超接合領域本体が受け持つため、耐圧が非常に高くなる。従って、このノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴは、ノーマリーオフを維持しつつ、高耐圧性を得ることができる。

【0031】

［ノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴの製造方法］
まず、図８に示すように、基板１０上に、例えば、従来公知のＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）法により、Ｇａ原料としてＴＭＧ（トリメチルガリウム）、Ａｌ原料としてＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、窒素原料としてＮＨ₃ （アンモニア）、キャリアガスとしてＮ₂ ガスおよびＨ₂ ガスを用いて、バッファ層（図示せず）、アンドープＧａＮ層１１、Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層１２、アンドープＧａＮ層１３およびｐ型ＧａＮ層１４を順次エピタキシャル成長させる。アンドープＧａＮ層１１、Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層１２、アンドープＧａＮ層１３およびｐ型ＧａＮ層１４の成長温度は例えば１１００℃程度である。基板１０としては、サファイア基板（例えば、Ｃ面サファイア基板）、Ｓｉ基板、ＳｉＣ基板などを用いることができる。バッファ層は、ＧａＮ層、ＡｌＮ層、ＡｌＧａＮ層、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層などを用いることができる。バッファ層として例えばＧａＮ層を用いる場合には例えば５３０℃程度の低温で成長させる。ｐ型ＧａＮ層１４の成長の際のｐ型ドーパントとしてはビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂ Ｍｇ）を用い、ｐ型ＧａＮ層１４の成長の際のキャリアガスとしては水素（Ｈ₂ ）および窒素（Ｎ₂ ）を用いる。

【0032】

次に、ｐ型ＧａＮ層１４上に素子形成領域に対応する形状のレジストパターンなどのマスクを形成した後、このマスクを用いてｐ型ＧａＮ層１４、アンドープＧａＮ層１３、Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層１２およびアンドープＧａＮ層１１をアンドープＧａＮ層１１の厚さ方向の途中の深さまで順にエッチングして所定形状にパターニングすることにより素子分離を行う。この後、マスクを除去する。このパターニングは反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法などによるエッチングにより行うことができる。

【0033】

次に、ｐ型ＧａＮ層１４上に、図１に示すｐ型ＧａＮ層１４の平面形状に対応する形状のレジストパターンなどのマスクを形成した後、このマスクを用いてｐ型ＧａＮ層１４、アンドープＧａＮ層１３およびＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層１２をＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層１２の厚さ方向の途中の深さまで順にエッチングして所定形状にパターニングする。このパターニングはＲＩＥ法などによるエッチングにより行うことができる。この後、マスクを除去する。

【0034】

次に、分極超接合領域以外の領域の表面にレジストパターンなどのマスクを形成した後、このマスクを用いてｐ型ＧａＮ層１４を厚さ方向の途中の深さまでエッチングして薄化した。このエッチングはＲＩＥ法などにより行うことができる。この後、マスクを除去する。この状態を図９に示す。

【0035】

次に、図１０に示すように、例えば、ＭＯＣＶＤ法やスパッタリング法などにより全面にｐ型Ｉｎ_y Ｇａ_1-y Ｎ層１５を成長させる。

【0036】

次に、図１１に示すように、例えば、ｐ型Ｉｎ_y Ｇａ_1-y Ｎ層１５をパターニングすることによりｐ型ＧａＮ層１４の厚い部分の上の部分および島状のアンドープＧａＮ層１３のソース電極１７側の端部に近接した部分を残す。このパターニングは、例えばＲＩＥ法やウェットエッチング法などによるエッチングにより行うことができる。島状のアンドープＧａＮ層１３のソース電極１７側の端部に近接した部分に残されたｐ型Ｉｎ_y Ｇａ_1-y Ｎ層１５によりｐ型Ｉｎ_z Ｇａ_1-z Ｎ層１９が形成される。すなわち、この場合、ｐ型Ｉｎ_z Ｇａ_1-z Ｎ層１９はｐ型Ｉｎ_y Ｇａ_1-y Ｎ層１５により形成され、ｚ＝ｙである。

【0037】

次に、Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層１２上にソース電極１７およびドレイン電極１８を形成した後、全面にゲート絶縁膜２３を形成する。次に、ｐ型Ｉｎ_z Ｇａ_1-z Ｎ層１９上の部分を除いてこのゲート絶縁膜２３をエッチング除去する。次に、ｐ型ＧａＮ層１４上のｐ型Ｉｎ_y Ｇａ_1-y Ｎ層１５上にゲート電極１６を形成するとともに、Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層１２上のｐ型Ｉｎ_z Ｇａ_1-z Ｎ層１９上に形成されたゲート絶縁膜２３上にゲート電極２０を形成する。

【0038】

以上により、図１に示す目的とするノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴが製造される。

【0039】

（実施例）
まず、基板１０としてＣ面サファイア基板を用い、その上に、ＭＯＣＶＤ法により、厚さ３０ｎｍのＧａＮ低温バッファ層、厚さ３０００ｎｍのアンドープＧａＮ層１１、厚さ３０ｎｍでｘ＝０．２１のＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層１２、厚さ５０ｎｍのアンドープＧａＮ層１３および厚さ４０ｎｍでＭｇ濃度［Ｍｇ］＝５×１０¹⁹ｃｍ^-3のｐ型ＧａＮ層１４を順次エピタキシャル成長させる。アンドープＧａＮ層１１、Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層１２、アンドープＧａＮ層１３およびｐ型ＧａＮ層１４の成長温度は１１００℃とする。成長時のキャリアガスとしてはＮ₂ ガスおよびＨ₂ ガスを用いる。

【0040】

次に、素子分離領域におけるｐ型ＧａＮ層１４の表面をマスクし、素子分離を行うためのエッチングを、塩素（Ｃｌ）系ガスによるＩＣＰ（誘導結合プラズマ）－ＲＩＥによりアンドープＧａＮ層１１の上部がエッチングされるまで行う。

【0041】

次に、ゲート電極コンタクト領域および分極超接合領域に対応する部分のｐ型ＧａＮ層１４の表面をマスクしてｐ型ＧａＮ層１４、アンドープＧａＮ層１３およびＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層１２をＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層１２の残りの厚さが１５ｎｍとなるまで順次エッチングする。

【0042】

次に、分極超接合領域以外の領域の表面をマスクしてエッチングすることにより、分極超接合領域のｐ型ＧａＮ層１４を薄化する。

【0043】

次に、ＭＯＣＶＤ法により、厚さ５ｎｍでｘ＝０．１８、［Ｍｇ］＝１×１０²⁰ｃｍ^-3のｐ型Ｉｎ_y Ｇａ_1-y Ｎ層１５をエピタキシャル成長させる。ｐ型Ｉｎ_y Ｇａ_1-y Ｎ層１５の成長温度は９５０℃とする。成長時のキャリアガスとしては１００％Ｎ₂ を用いる。

【0044】

次に、ゲート電極１６およびゲート電極２０を形成する部分のｐ型Ｉｎ_y Ｇａ_1-y Ｎ層１５の表面をマスクしてｐ型Ｉｎ_y Ｇａ_1-y Ｎ層１５をＣｌ系ガスによるＩＣＰ－ＲＩＥによりエッチングし、ｐ型Ｉｎ_y Ｇａ_1-y Ｎ層１５をゲート電極１６およびゲート電極２０を形成する部分にのみ残す。

【0045】

次に、ソース電極１７およびドレイン電極１８を形成する部位を除いた領域の表面をＳｉＯ₂ 膜でマスクし、ソース電極形成部およびドレイン電極形成部に真空蒸着法によりＴｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ積層膜を形成してソース電極１７およびドレイン電極１８を形成した後、Ｎ₂ 中、８００℃、６０秒間のオーミックアロイ処理を行う。

【0046】

次に、全面にゲート絶縁膜２３としてＳｉＮ_x 膜を形成した後、このＳｉＮ_x 膜を、ゲート電極２０を形成する部分に残されたｐ型Ｉｎ_y Ｇａ_1-y Ｎ層１５上の部分を除いてエッチング除去する。次に、ゲート電極１６およびゲート電極２０を形成する部位を除いた領域の表面をＳｉＯ₂ 膜でマスクし、ｐ型ＧａＮ層１４上のｐ型Ｉｎ_y Ｇａ_1-y Ｎ層１５およびＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層１２上の、アンドープＧａＮ層１３のソース電極１７側の端部に近接したｐ型Ｉｎ_y Ｇａ_1-y Ｎ層１５上のＳｉＮ_x 膜上に真空蒸着法によりＴｉ／Ｎｉ／Ａｕ積層膜を形成してそれぞれゲート電極１６およびゲート電極２０を形成した後、Ｎ₂ 中、５００℃、１００秒間の急速熱処理（Rapid Thermal Annealing;ＲＴＡ）を行い、ゲート電極１６のオーミックアロイ処理を行う。この場合、ｐ型Ｉｎ_z Ｇａ_1-z Ｎ層１９はｐ型Ｉｎ_y Ｇａ_1-y Ｎ層１５により形成される。

【0047】

以上のようにしてノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴを作製する。

【0048】

参考例として、ゲート電極２０をゲート絶縁膜２３を介してｐ型Ｉｎ_z Ｇａ_1-z Ｎ層１９上に設けるのではなく、ｐ型Ｉｎ_z Ｇａ_1-z Ｎ層１９上に直接設けたことを除いてこのノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴと同一の構造を有するノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴを作製し、様々な評価を行った。既に述べたように、この参考例によるノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴは、このノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴとエネルギーバンド構造が実質的に同じであり、相違点は、このノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴではゲート電極２０に正のゲート電圧Ｖ_g を印加したときにゲート絶縁膜２３のバンドが傾斜する分だけゲート電圧Ｖ_g が大きくなり、負のゲート電圧Ｖ_g を印加したときも同様に負のゲート電圧Ｖ_g が大きくなることだけである。このため、この参考例によるノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴの評価結果はこのノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴについても同様に有効と考えられる。

【0049】

この参考例によるノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴは次のようにして作製した。

【0050】

すなわち、まず、基板１０としてＣ面サファイア基板を用い、その上に、ＭＯＣＶＤ法により、厚さ３０ｎｍのＧａＮ低温バッファ層、厚さ３０００ｎｍのアンドープＧａＮ層１１、厚さ３０ｎｍでｘ＝０．２１のＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層１２、厚さ５０ｎｍのアンドープＧａＮ層１３および厚さ４０ｎｍでＭｇ濃度［Ｍｇ］＝５×１０¹⁹ｃｍ^-3のｐ型ＧａＮ層１４を順次エピタキシャル成長させた。アンドープＧａＮ層１１、Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層１２、アンドープＧａＮ層１３およびｐ型ＧａＮ層１４の成長温度は１１００℃とした。成長時のキャリアガスとしてはＮ₂ ガスおよびＨ₂ ガスを用いた。

【0051】

次に、素子分離領域におけるｐ型ＧａＮ層１４の表面をマスクし、素子分離を行うためのエッチングを、Ｃｌ系ガスによるＩＣＰ－ＲＩＥによりアンドープＧａＮ層１１の上部がエッチングされるまで行った。

【0052】

次に、ゲート電極コンタクト領域および分極超接合領域に対応する部分のｐ型ＧａＮ層１４の表面をマスクしてｐ型ＧａＮ層１４、アンドープＧａＮ層１３およびＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層１２をＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層１２の残りの厚さが１５ｎｍとなるまで順次エッチングした。

【0053】

次に、分極超接合領域以外の領域の表面をマスクしてエッチングすることにより、分極超接合領域のｐ型ＧａＮ層１４を薄化した。

【0054】

次に、ＭＯＣＶＤ法により、厚さ５ｎｍでｘ＝０．１８、［Ｍｇ］＝１×１０²⁰ｃｍ^-3のｐ型Ｉｎ_y Ｇａ_1-y Ｎ層１５をエピタキシャル成長させた。ｐ型Ｉｎ_y Ｇａ_1-y Ｎ層１５の成長温度は９５０℃とした。成長時のキャリアガスとしては１００％Ｎ₂ を用いた。

【0055】

次に、ゲート電極１６およびゲート電極２０を形成する部分のｐ型Ｉｎ_y Ｇａ_1-y Ｎ層１５の表面をマスクしてｐ型Ｉｎ_y Ｇａ_1-y Ｎ層１５をＣｌ系ガスによるＩＣＰ－ＲＩＥによりエッチングし、ｐ型Ｉｎ_y Ｇａ_1-y Ｎ層１５をゲート電極１６およびゲート電極２０を形成する部分にのみ残した。

【0056】

次に、ソース電極１７およびドレイン電極１８を形成する部位を除いた領域の表面をＳｉＯ₂ 膜でマスクし、ソース電極形成部およびドレイン電極形成部に真空蒸着法によりＴｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ積層膜を形成してソース電極１７およびドレイン電極１８を形成した後、Ｎ₂ 中、８００℃、６０秒間のオーミックアロイ処理を行った。

【0057】

次に、ゲート電極１６およびゲート電極２０を形成する部位を除いた領域の表面をＳｉＯ₂ 膜でマスクし、ｐ型ＧａＮ層１４上のｐ型Ｉｎ_y Ｇａ_1-y Ｎ層１５およびＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層１２上の、アンドープＧａＮ層１３のソース電極１７側の端部に近接したｐ型Ｉｎ_y Ｇａ_1-y Ｎ層１５上に真空蒸着法によりＴｉ／Ｎｉ／Ａｕ積層膜を形成してそれぞれゲート電極１６およびゲート電極２０を形成した後、Ｎ₂ 中、５００℃、１００秒間のＲＴＡを行い、オーミックアロイ処理を行った。この場合、ｐ型Ｉｎ_z Ｇａ_1-z Ｎ層１９はｐ型Ｉｎ_y Ｇａ_1-y Ｎ層１５により形成されている。

【0058】

以上のようにして参考例によるノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴを作製した。この参考例によるノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴのＰＳＪ長は１５μｍ、ゲート電極１６のゲート長は５μｍ、ゲート幅は１００ｍｍ、ゲート電極２０のゲート長は５μｍ、ゲート幅は１００ｍｍ、分極超接合領域のドレイン電極１８側の端部とドレイン電極１８との間の距離は３μｍ、ゲート電極２０の直下のＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層１２の厚さは約１５ｎｍである。

【0059】

こうして作製した参考例によるノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴの電気特性を調べるために、図１２に示すように結線して測定回路を形成し、ゲート電極１６とゲート電極２０とを共通にした３端子素子として静特性を測定した。

【0060】

（ドレイン電流（Ｉ_d ）－ドレイン電圧（Ｖ_d ）特性）
ゲート電圧Ｖ_g をパラメータとしたＩ_d －Ｖ_d 特性の測定結果を図１３に示す。図１３に示すように、Ｖ_g ＝０ではＩ_d はほぼ０［Ａ］であった。

【0061】

（ドレイン電流（Ｉ_d ）－ゲート電圧（Ｖ_g ）特性）
Ｖ_d ＝１．０［Ｖ］と設定したときのＩ_d －Ｖ_g 特性の測定結果を図１４に示す。図１４に示すように、Ｉ_d はＶ_g ＝０［Ｖ］過ぎから立ち上がっている。図１５は図１４に示すＩ_d －Ｖ_g 特性に対し、Ｉ_d を対数表示（Ｌｏｇ）にして分解能を高めたものであり、Ｖ_g ＝０［Ｖ］過ぎからのＩ_d の立ち上がりがより明確に示されている。閾値電圧Ｖ_thの定義をドレイン電流Ｉ_d がＦＥＴの定格ドレイン電流（本ＦＥＴの場合、Ｖ_d ＝１［Ｖ］、Ｖ_g ＝５［Ｖ］で、Ｉ_d ～２．５［Ａ］）の１／１００程度（２．５×１０^-2［Ａ］）のときのＶ_g と定義すると、Ｖ_thは約０．７［Ｖ］である。すなわち、ノーマリーオフが実現されていることが分かる。なお、Ｖ_thを、ドレイン電流Ｉ_d が最大定格ドレイン電流の１／１００であるときのＶ_g としたのは、ノーマリーオフ型ＦＥＴとしてゲート信号喪失時に回路系を実質的に保護できる範囲であるからである。

【0062】

（オフ耐圧特性）
Ｖ_g ＝－８［Ｖ］に設定してノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴをオフ状態としたとき、Ｖ_d に対してＩ_d を測定した結果を図１６に示す。図１６の縦軸は対数軸である。図１６に示すように、このノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴでは、Ｖ_d ～１．５［ｋＶ］においてＩ_d ～３０［μＡ］であり、非常に高い耐圧が得られていることが分かる。

【0063】

この参考例によるノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴにおける各領域の２ＤＥＧ２２の濃度および２ＤＨＧ２１の濃度を測定し、ｎ₀ ≦ｎ₁ ＜ｎ₂ ＜ｎ₃ およびｐ₁ ＞ｐ₂ が成立することを実証した結果について説明する。各領域の２ＤＥＧ２２の濃度および２ＤＨＧ２１の濃度を測定するためのホール（Hall）素子を作製した。具体的には、ｎ₀ の測定のために、図１に示す２ＤＥＧ２２の濃度ｎ₀ の部分と同じ層構造を有する図１７Ａに示すホール素子Ｈ₁ を作製した。ｎ₁ およびｐ₁ の測定のために、図１に示す２ＤＥＧ２２の濃度ｎ₁ および２ＤＨＧ２１の濃度ｐ₁ の部分と同じ層構造を有する図１７Ｂに示すホール素子Ｈ₂ を作製した。ｎ₂ およびｐ₂ の測定のために、図１に示す２ＤＥＧ２２の濃度ｎ₂ および２ＤＨＧ２１の濃度ｐ₂ の部分と同じ層構造を有する図１７Ｃに示すホール素子Ｈ₃ を作製した。ｎ₃ の測定のために、図１に示す２ＤＥＧ２２の濃度ｎ₃ の部分と同じ層構造を有する図１７Ｄに示すホール素子Ｈ₄ を作製した。図１８Ａはホール素子Ｈ₁ 、Ｈ₄ の電極配置を示し、図１８Ｂはホール素子Ｈ₂ 、Ｈ₃ の電極配置を示す。図１７Ａおよび図１７Ｄは図１８Ａの一点鎖線に沿っての断面図である。図１７Ｂおよび図１７Ｃは図１８Ｂの一点鎖線に沿っての断面図である。これらのホール素子Ｈ₁ ～Ｈ₄ の大きさは約４×４ｍｍ² である。図１８Ａに示すように、ホール素子Ｈ₁ 、Ｈ₄ においては、２ＤＥＧ２２の濃度を測定するためにＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層１２上に四つの電極Ｅ₁ ～Ｅ₄ が設けられている。図１８Ｂに示すように、ホール素子Ｈ₂ 、Ｈ₃ においては、２ＤＥＧ２２の濃度を測定するためにＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層１２上に電極Ｅ₁ ～Ｅ₄ が設けられていることに加え、２ＤＨＧ２１の濃度を測定するためにｐ型Ｉｎ_y Ｇａ_1-y Ｎ層１５上に四つの電極Ｅ₁₁～Ｅ₁₄が設けられている。これらのホール素子Ｈ₁ ～Ｈ₄ は参考例によるノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴの作製に用いたものと同じプロセスで作製した。

【0064】

ホール素子Ｈ₁ による濃度ｎ₀ 、電子の移動度μ_e および抵抗Ｒの測定結果を表１に示す。

【表1】

【0065】

ホール素子Ｈ₂ による濃度ｎ₁ 、電子の移動度μ_e および抵抗Ｒの測定結果を表２に示す。

【表2】

【0066】

ホール素子Ｈ₂ による濃度ｐ₁ 、正孔の移動度μ_p および抵抗Ｒの測定結果を表３に示す。

【表3】

【0067】

ホール素子Ｈ₃ による濃度ｎ₂ 、電子の移動度μ_e および抵抗Ｒの測定結果を表４に示す。

【表4】

【0068】

ホール素子Ｈ₃ による濃度ｐ₂ 、正孔の移動度μ_p および抵抗Ｒの測定結果を表５に示す。

【表5】

【0069】

ホール素子Ｈ₄ による濃度ｎ₃ 、電子の移動度μ_e および抵抗Ｒの測定結果を表６に示す。

【表6】

【0070】

表１～６より、ｎ₀ ≦ｎ₁ ＜ｎ₂ ＜ｎ₃ およびｐ₁ ＞ｐ₂ が確かに成立していることが分かる。

【0071】

［ノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴの使用形態］
このノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴは、ＡＮＤで動作する２ゲートトランジスタである。ゲート電極１６およびゲート電極２０の両者がオンの場合、ドレイン電流が流れる。ゲート電極１６およびゲート電極２０のいずれかがオフの場合はドレイン電流は流れない。ところが、ゲート電極１６がノーマリーオンであるので、ゲート電極２０によってノーマリーオフ型トランジスタとして動作させることができる。この場合、３種類の接続方法が考えられる。

【0072】

図１９Ａはゲート電極１６とゲート電極２０とを接続して３端子トランジスタとして動作させる場合である。ただし、図１９Ａにおいては、ゲート電極１６をＧ１、ゲート電極２０をＧ０、ソース電極１７をＳ、ドレイン電極１８をＤと示してある（以下同様）。

【0073】

図１９Ｂはゲート電極１６をソース電極１７と接続して、内部カスコード的な動作をさせる場合である。

【0074】

図１９Ｃは変形カスコードとして、ゲート電極１６にソース電極１７に対して正のバイアス電圧を印加するものである。

【0075】

図１９Ａ、図１９Ｂおよび図１９Ｃに示す接続方法は、ロジック的にはいずれも同じであるが、スイッチング時の過渡的な特性は異なっている可能性がある。従って、このノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴをどのような回路に応用するかによって使い分けることができる。

【0076】

図１９Ｄはソース電極１７と二つのゲート電極１６およびゲート電極２０とを接続したもので、ダイオードとして動作させることができる。

【0077】

以上のように、この第１の実施の形態によれば、アンドープＧａＮ層１１、Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層１２、アンドープＧａＮ層１３、ｐ型ＧａＮ層１４およびｐ型Ｉｎ_y Ｇａ_1-y Ｎ層１５の積層構造に加えて、ｐ型Ｉｎ_y Ｇａ_1-y Ｎ層１５上のゲート電極１６とＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層１２上のｐ型Ｉｎ_z Ｇａ_1-z Ｎ層１９上にゲート絶縁膜２３を介して設けられたゲート電極２０とを有し、２ＤＥＧ２２の濃度および２ＤＨＧ２１の濃度に関し、ｎ₀ ≦ｎ₁ ＜ｎ₂ ＜ｎ₃ およびｐ₁ ＞ｐ₂ が成立していることにより、非動作時（熱平衡時）にゲート電極２０の直下の部分に２ＤＥＧ２２が実質的に存在しないノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴを容易に実現することができる。また、このノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴにおいては、ゲート電極２０、ゲート絶縁膜２３およびｐ型Ｉｎ_z Ｇａ_1-z Ｎ層１９によりＭＩＳ構造が形成されているため、このノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴをオフの状態からオンにするときにゲート電極２０に例えば＋３以上のゲート電圧を印加しても、チャネルに流れるゲート電流の大幅な低減を図ることができ、ひいては省エネルギー化を図ることができる。さらにまた、このノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴは各端子の接続方法の選択により様々な特性を有するトランジスタとして用いることができ、あるいはダイオードとして用いることができる。

【0078】

〈第２の実施の形態〉
［ノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴ］

【0079】

図２０に示すように、第２の実施の形態によるノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴにおいては、特許文献１と同様に、分極超接合領域にｐ型ＧａＮ層１４が存在しないことが第１の実施の形態によるノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴと異なる。その他のことは第１の実施の形態によるノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴと同様である。

【0080】

［ノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴの製造方法］
このノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴの製造方法は、分極超接合領域におけるアンドープＧａＮ層１３上に最終的にｐ型ＧａＮ層１４を形成しないことを除いて、第１の実施の形態によるノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴの製造方法と同様である。

【0081】

この第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様な利点を得ることができる。

【0082】

〈第３の実施の形態〉
［ノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴ］

【0083】

図２１に示すように、第３の実施の形態によるノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴにおいては、ソース電極１７およびドレイン電極１８が設けられている部分のＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層１２の厚さが、アンドープＧａＮ層１３が設けられている部分のＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層１２の厚さと同一またはほぼ同一となっていることが第１の実施の形態によるノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴと異なる。その他のことは第１の実施の形態によるノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴと同様である。

【0084】

［ノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴの製造方法］
このノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴの製造方法は、ｐ型ＧａＮ層１４を厚さ方向の途中の深さまでエッチングして薄化した後、ｐ型Ｉｎ_y Ｇａ_1-y Ｎ層１５をエピタキシャル成長させる前に、ＭＯＣＶＤ法などにより所定の厚さのＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層を全面にエピタキシャル成長させた後、このＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層をパターニングすることによりソース電極１７およびドレイン電極１８を形成する部分のＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層１２上にのみ残すことを除いて、第１の実施の形態によるノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系ＦＥＴの製造方法と同様である。このパターニングは、例えば、ＲＩＥ法などによるエッチングにより行うことができる。このＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層の厚さは、アンドープＧａＮ層１３の下の部分のＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層１２の厚さからソース電極１７およびドレイン電極１８を形成する部分のＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層１２の厚さを引いた値と同一またはほぼ同一とする。こうすることで、ソース電極１７およびドレイン電極１８をアンドープＧａＮ層１３の下の部分と同じ厚さを有するＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層１２上に形成することができる。

【0085】

この第３の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様な利点を得ることができる。

【0086】

以上、この発明の実施の形態および実施例について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施の形態および実施例に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。

【0087】

例えば、上述の実施の形態および実施例において挙げた数値、構造、形状、材料などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれらと異なる数値、構造、形状、材料などを用いてもよい。

【符号の説明】

【0088】

１０…基板、１１…アンドープＧａＮ層、１２…Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層、１３…アンドープＧａＮ層、１４…ｐ型ＧａＮ層、１５…ｐ型Ｉｎ_y Ｇａ_1-y Ｎ層、１６…ゲート電極、１７…ソース電極、１８…ドレイン電極、１９…ｐ型Ｉｎ_z Ｇａ_1-z Ｎ層、２０…ゲート電極、２１…２ＤＨＧ、２２…２ＤＥＧ、２３…ゲート絶縁膜

【要約】

【課題】容易に実現できるノーマリーオフ型分極超接合ＧａＮ系電界効果トランジスタを提供する。
【解決手段】電界効果トランジスタは、順次積層されたアンドープＧａＮ層１１、Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層１２、アンドープＧａＮ層１３、ｐ型ＧａＮ層１４およびｐ型Ｉｎ_y Ｇａ_1-y Ｎ層１５を有し、最上層にゲート電極１６、Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層１２上にソース電極１７およびドレイン電極１８、Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層１２上に、アンドープＧａＮ層１３の一端部の隣のｐ型Ｉｎ_z Ｇａ_1-z Ｎ層１９およびその上にゲート絶縁膜２３を介して設けられたゲート電極２０を有する。非動作時にアンドープＧａＮ層１１／Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層１２ヘテロ界面に形成される２ＤＥＧ２２の、ゲート電極２０の直下の部分の濃度をｎ₀ 、ゲート電極１６の直下の部分の濃度をｎ₁ 、分極超接合領域の濃度をｎ₂ 、分極超接合領域とドレイン電極１８との間の部分の濃度をｎ₃ としたとき、ｎ₀ ≦ｎ₁ ＜ｎ₂ ＜ｎ₃ である。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17A】

【図17B】

【図17C】

【図17D】

【図18A】

【図18B】

【図19A】

【図19B】

【図19C】

【図19D】

【図20】

【図21】