▶ フラウンホーファー−ゲゼルシャフト・ツール・フェルデルング・デル・アンゲヴァンテン・フォルシュング・アインゲトラーゲネル・フェラインの特許一覧
特表2024-511560高い電子移動度（ＨＥＭＴ）を有するトランジスタ、トランジスタアセンブリ、ＨＥＭＴの制御方法、及びＨＥＭＴの製造方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-03-14
(54)【発明の名称】高い電子移動度（ＨＥＭＴ）を有するトランジスタ、トランジスタアセンブリ、ＨＥＭＴの制御方法、及びＨＥＭＴの製造方法
(51)【国際特許分類】
H01L 21/338 20060101AFI20240307BHJP
【ＦＩ】
H01L29/80 H
【審査請求】有
【予備審査請求】有
(21)【出願番号】P 2023551728
(86)(22)【出願日】2022-02-23
(85)【翻訳文提出日】2023-10-20
(86)【国際出願番号】 EP2022054576
(87)【国際公開番号】W WO2022180127
(87)【国際公開日】2022-09-01
(31)【優先権主張番号】102021201791.6
(32)【優先日】2021-02-25
(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】500341779
【氏名又は名称】フラウンホーファー－ゲゼルシャフト・ツール・フェルデルング・デル・アンゲヴァンテン・フォルシュング・アインゲトラーゲネル・フェライン
(74)【代理人】
【識別番号】100134119
【弁理士】
【氏名又は名称】奥町 哲行
(72)【発明者】
【氏名】カペルス・ホルガー
(72)【発明者】
【氏名】フィヒトナー・ジモン
(72)【発明者】
【氏名】ロフィンク・ファビアン
(72)【発明者】
【氏名】ワグナー・ベルンハルト
【テーマコード（参考）】
5F102
【Ｆターム（参考）】
5F102GB01
5F102GC01
5F102GD01
5F102GD10
5F102GJ04
5F102GL04
5F102GM04
5F102GQ01
5F102GR12
5F102GV05
5F102GV08
5F102HC01
(57)【要約】
第１の層及び第２の層を備える高電子移動度を有するトランジスタ（高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ））が記載される。第１の層は、第１の窒化化合物からなる第１の材料を含む。第１の窒化化合物は、ＩＩＩ族元素を含む。第２の層は、第２の窒化化合物からなる第２の材料を含む。第２の窒化化合物は、ＩＩＩ族元素を含む。第２の層の主面は、第２の層の主面に沿って電荷ゾーンが形成されるように、第１の層の主面に対向して配置される。ＨＥＭＴは、第２の層が第１の層とゲート電極との間に配置されるように、少なくとも領域において、第２の層に対向して配置されるゲート電極を更に備える。更に、ＨＥＭＴは、ゲート電極と第２の層との間に配置された第３の層を備える。第３の層は、第３の窒化化合物からなる強誘電性の第３の材料、又は亜鉛を含む酸化化合物からなる強誘電性の第３の材料を含む。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
高電子移動度トランジスタＨＥＭＴ（１００）であって、第１の窒化化合物からなる第１の材料（１１１）を含む第１の層（１１０）であって、前記第１の窒化化合物がＩＩＩ族元素を含む、第１の層と、
第２の窒化化合物からなる第２の材料（１２１）を含む第２の層（１２０）であって、前記第２の窒化化合物がＩＩＩ族元素を含む、第２の層と、
前記第２の層（１２０）の主面（１２２）が、電荷ゾーン（１６０）が前記第１の層（１１０）の主面（１１２）に沿って形成されるように、前記第１の層（１１０）の前記主面（１１２）に対向して配置され、
少なくとも領域において、前記第２の層（１２０）に対向して配置されるゲート電極（１７０）であって、前記第２の層（１２０）が前記第１の層（１１０）と前記ゲート電極との間に配置される、ゲート電極と、
前記ゲート電極（１７０）と前記第２の層（１２０）との間に配置された第３の層（１３０）であって、第３の窒化化合物からなる強誘電性の第３の材料（１３１）、又は亜鉛を含有する酸化化合物からなる強誘電性の第３の材料（１３１）を含む、第３の層（１３０）と、を備えるＨＥＭＴ。
【請求項2】
前記第３の材料（１３１）が、ウルツ鉱型結晶構造を有する、請求項１に記載のＨＥＭＴ（１００）。
【請求項3】
前記第１の材料（１１１）が、ウルツ鉱型結晶構造を有し、前記第２の材料（１２１）が、ウルツ鉱型結晶構造を有する、請求項２に記載のＨＥＭＴ（１００）。
【請求項4】
前記第３の材料の保磁力が、前記第２の材料の保磁力よりも小さい、請求項３に記載のＨＥＭＴ（１００）。
【請求項5】
前記第３の材料（１３１）が、前記第３の窒化化合物を含み、前記第３の窒化化合物が、１つ以上のＩＩＩ族元素を含む、請求項１～４のいずれか一項に記載のＨＥＭＴ（１００）。
【請求項6】
前記第３の窒化化合物の前記１つ以上のＩＩＩ族元素が、Ａｌ、Ｇａ、及びＩｎのうちの１つ以上である、請求項５に記載のＨＥＭＴ（１００）。
【請求項7】
前記第３の材料（１３１）が、遷移金属を含む、請求項１～６のいずれか一項に記載のＨＥＭＴ（１００）。
【請求項8】
前記第３の層中の前記遷移金属の割合が、前記第２の層中の遷移金属の割合よりも高い、請求項７に記載のＨＥＭＴ（１００）。
【請求項9】
前記第３の材料（１３１）が、引張応力を有する、請求項７又は請求項８に記載のＨＥＭＴ（１００）。
【請求項10】
前記遷移金属が、Ｓｃ、Ｍｇ、Ｎｂ、Ｔｉ、又はＹである、請求項７～９のいずれか一項に記載のＨＥＭＴ（１００）。
【請求項11】
前記第３の材料（１３１）が前記第３の窒化化合物からなり、前記第３の窒化化合物が１つ以上のＩＩＩ族元素を含み、前記第３の材料（１３１）中の前記遷移金属の化学量論的割合が、前記第３の材料（１３１）中の前記１つ以上のＩＩＩ族元素及び前記遷移金属の総化学量論的割合の１０％～５０％である、又は前記第３の材料（１３１）が前記酸化化合物からなり、前記第３の材料（１３１）中の前記遷移金属の化学量論的割合が、前記第３の材料（１３１）中の前記亜鉛及び前記遷移金属の総化学量論的割合の１０％～５０％である、請求項７～１０のいずれか一項に記載のＨＥＭＴ（１００）。
【請求項12】
前記ゲート電極（１７０）及び前記第３の層（１３０）が、領域において、前記第２の層（１２０）に対向するように配置されたゲート構造（３７５）の一部である、請求項１～１１のいずれか一項に記載のＨＥＭＴ（１００）。
【請求項13】
前記第２の層（１２０）と前記第３の層（１３０）との間に配置された第４の層（２４０）を更に備え、前記第４の層（２４０）が導電性材料を含む、請求項１～１２のいずれか一項に記載のＨＥＭＴ（１００）。
【請求項14】
前記第４の層（２４０）と前記電荷ゾーン（１６０）との間の静電容量が、前記第４の層（２４０）と前記ゲート電極（１７０）との間の静電容量よりも大きい、請求項１３に記載のＨＥＭＴ（１００）。
【請求項15】
前記ゲート電極（１７０）が、前記第１の層の前記主面に平行な平面に対して、前記第４の層（２４０）よりも大きな表面を有する、請求項１３又は請求項１４に記載のＨＥＭＴ（１００）。
【請求項16】
前記第２の層（１２０）と前記第３の層（１３０）との間、又は前記第２の層（１２０）と前記第４の層（２４０）との間に配置された絶縁層（２５０）を更に備え、前記絶縁層（２５０）が導電性材料を含む、請求項１～１５のいずれか一項に記載のＨＥＭＴ（１００）。
【請求項17】
前記ゲート構造が、前記第２の層（１２０）と前記第３の層（１３０）との間に配置された第４の層（２４０）を更に含み、前記第４の層（２４０）が導電性の第４の材料を含む、請求項１２に記載のＨＥＭＴ（１００）。
【請求項18】
前記ゲート構造が、前記第２の層（１２０）と前記第３の層（１３０）との間、又は前記第２の層（１２０）と前記第４の層（２４０）との間に配置された絶縁層（２５０）を更に備え、前記絶縁層（２５０）が導電性材料を含む、請求項１２又は請求項１７に記載のＨＥＭＴ（１００）。
【請求項19】
前記第４の層（２４０）の前記導電性材料が、ＴｉＮ、ＮｂＮ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｉ、及びＭｏのうちの１つである、請求項１３～１８のいずれか一項に記載のＨＥＭＴ（１００）。
【請求項20】
前記第１の材料（１１１）と前記第２の材料（１２１）との組合せが、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ、ＡｌＳｃＮ／ＧａＮ、ＡｌＮ／ＧａＮ、及びＡｌＳｃＮ／ＧａＳｃＮのうちの１つである、請求項１～１９のいずれか一項に記載のＨＥＭＴ（１００）。
【請求項21】
前記第１の層（１１０）と前記第２の層（１２０）との間に配置され、窒化化合物からなる材料を含む中間層（２１５）を含む、請求項１～２０のいずれか一項に記載のＨＥＭＴ（１００）。
【請求項22】
前記中間層（２１５）の材料が、ＡｌＮ又はＧａＮのいずれかである、請求項２１に記載のＨＥＭＴ（１００）。
【請求項23】
前記第３の材料（１３１）の分極状態が、前記ゲート電極（１７０）に電圧を印加することによって設定することができ、前記電荷ゾーン（１６０）を通る伝導チャネルを有効状態と無効状態との間で変化させる前記ＨＥＭＴの閾値電圧が、前記第３の材料（１３１）の前記分極状態に依存する、請求項１～２２のいずれか一項に記載のＨＥＭＴ（１００）。
【請求項24】
前記第３の材料（１３１）が、第１の分極状態を有し、前記閾値電圧が、前記第３の材料（１３１）が前記第１の分極状態にあるときに正である、請求項２３に記載のＨＥＭＴ（１００）。
【請求項25】
前記第３の材料（１３１）が第２の分極状態を更に有し、前記閾値電圧が、前記第３の材料（１３１）が前記第２の分極状態にあるときに負である、請求項２４に記載のＨＥＭＴ（１００）。
【請求項26】
前記ゲート電極（１７０）が、ゲート電極領域（４７１）に対向する前記第３の層（１３０）の第１の領域（４３３）内の前記第３の材料（１３１）の前記分極状態が、前記ゲート電極（１７０）に電圧を印加することによって設定され得るように、前記ゲート電極領域（４７１）内に配置され、前記第３の層（１３０）が、前記第１の領域（４３３）とは異なる第２の領域（４３５）を更に含み、前記第３の層（１３０）の前記第２の領域の前記第３の材料（１３１）が、前記第２の領域に対向する前記電荷ゾーン（１６０）の電荷ゾーン領域（４６５）が導電状態にある分極状態にある、請求項２３～２５のいずれか一項に記載のＨＥＭＴ（１００）。
【請求項27】
ソース領域（１７２）及びドレイン領域（１７４）を更に備え、前記電荷ゾーン（１６０）が、前記ソース領域（１７２）と前記ドレイン領域（１７４）との間に電気的に直列に配置される、請求項１～２６のいずれか一項に記載のＨＥＭＴ（１００）。
【請求項28】
請求項１～２７のいずれか一項に記載のＨＥＭＴ（１００）を備え、制御信号発生器（１９０）を更に備え、前記制御信号発生器（１９０）が、前記ゲート電極（１７０）に対向する前記第３の層（１３０）の領域内に分極方向を設定するために、前記ゲート電極（１７０）に電圧を印加するように構成されている、トランジスタアセンブリ。
【請求項29】
前記制御信号発生器（１９０）が、前記ＨＥＭＴ（１００）の閾値電圧を設定するために、前記電圧を前記ゲート電極（１７０）に印加することによって、前記ゲート電極（１７０）に対向する前記第３の層（１３０）の前記領域内に分極度を設定するように構成されている、請求項２８に記載のトランジスタアセンブリ。
【請求項30】
前記制御信号発生器（１９０）が、前記閾値電圧を正の値に設定するために、前記ゲート電極（１７０）と前記電荷ゾーン（１６０）との間に第１の電圧を印加し、前記閾値電圧を負の値に設定するために、前記ゲート電極（１７０）と前記電荷ゾーン（１６０）との間に第２の電圧を印加するように構成されている、請求項２９に記載のトランジスタアセンブリ。
【請求項31】
請求項１～２７のいずれか１項に記載のＨＥＭＴ（１００）の制御方法であって、前記電荷ゾーン（１６０）を通る伝導チャネルを有効状態と無効状態との間で変化させる前記ＨＥＭＴ（１００）の閾値電圧を設定するために、前記第３の材料（１３１）の分極方向及び／又は分極度を設定するために前記ゲート電極に電圧を印加する工程、を含む方法。
【請求項32】
請求項１～２７のいずれか１項に記載のＨＥＭＴの制御方法であって、前記電荷ゾーン（１６０）を通る伝導チャネルを有効状態と無効状態との間で変化させる前記ＨＥＭＴの閾値電圧が正であるように、前記第３の材料（１３１）の分極方向及び／又は分極度を設定するために前記ゲート電極（１７０）に電圧を印加する工程を含む、方法。
【請求項33】
ＨＥＭＴ（１００）の製造方法（１０）であって、第１の層（１１０）と、第２の層（１２０）と、強誘電性材料（１３１）を含む第３の層（１３０）とを含む層構造を提供する工程（１１）であって、
前記第２の層（１２０）が、前記第１の層（１１０）と前記第３の層（１３０）との間に配置され、
前記第２の層（１２０）の主面（１２２）が、前記第１の層（１１０）の主面（１１２）と対向して配置され、
電荷ゾーン（１６０）が、前記第１の層（１１０）の前記主面（１１２）に沿って形成される、工程と、
ソース接点及びドレイン接点を適用する工程（１２）であって、前記電荷ゾーンが、前記ソース接点と前記ドレイン接点との間に電気的に直列に配置される、工程と、
前記ソース接点及び前記ドレイン接点と共に前記層構造を温度処理する工程（１３）と、を含む方法。
【請求項34】
前記層構造を提供する前記工程（１１）が、第１の層（１１０）及び第２の層（１２０）をエピタキシャルに塗布する工程（２１）であって、前記第２の層（１２０）の主面（１２２）が前記第１の層（１１０）の主面（１１２）に対向して配置され、電荷ゾーン（１６０）が前記第１の層（１１０）の前記主面（１１２）に沿って形成され、前記第１の層（１１０）がウルツ鉱型結晶構造を有する第１の材料（１１１）を含み、前記第２の層（１２０）がウルツ鉱型結晶構造を有する第２の材料（１２１）を含むように塗布する、工程と、
強誘電性の第３の層をエピタキシャルに塗布する工程（２２）であって、前記第２の層（１２０）が前記第１の層（１１０）と前記第３の層（１３０）との間に配置され、前記第３の層（１３０）がウルツ鉱型結晶構造を有する強誘電性の第３の材料（１３１）を含むように塗布する、工程とを含む、請求項３３に記載の方法（１０）。
【請求項35】
ＨＥＭＴ（１００）の製造方法（２０）であって、第１の層（１１０）及び第２の層（１２０）をエピタキシャルに塗布する工程（２１）であって、前記第２の層（１２０）の主面（１２２）が前記第１の層（１１０）の主面（１１２）に対向して配置され、電荷ゾーン（１６０）が前記第１の層（１１０）の前記主面（１１２）に沿って形成され、前記第１の層（１１０）がウルツ鉱型結晶構造を有する第１の材料（１１１）を含み、前記第２の層（１２０）がウルツ鉱型結晶構造を有する第２の材料（１２１）を含むように塗布する、工程と、
強誘電性の第３の層（１３０）をエピタキシャルに塗布する工程（２２）であって、前記第２の層（１２０）が前記第１の層（１１０）と前記第３の層（１３０）との間に配置され、前記第３の層（１３０）がウルツ鉱型結晶構造を有する強誘電性の第３の材料（１３１）を含むように塗布する、工程とを含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施例は、高い電子移動度を有するトランジスタ（Ｈｉｇｈ－Ｅｌｅｃｔｒｏｎ－Ｍｏｂｉｌｉｔｙ－Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ（ＨＥＭＴ））に関する。更なる実施例は、トランジスタアセンブリに関する。更なる実施例は、ＨＥＭＴの制御方法に関する。更なる実施例は、ＨＥＭＴの製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
ＨＥＭＴ部品の構造は、典型的には、製造プロセス中に境界面に例えばＡｌＧａＮ／ＧａＮ構造を形成する二次元電子ガス（２ＤＥＧ）を有する。２つのＩＩＩ－Ｎ系層の間の境界面における導電性２ＤＥＧの永続的な発展により、それに基づくＨＥＭＴは、ゲート電圧の追加の印加なしで永続的にオン状態（ノーマリーオン構造）にある。このことは、第１に、安全面（ゲート電圧供給源が故障した場合であっても、構成要素は常にオンである）の点での欠点を有し、更に、この技術に基づく集積論理ゲートの製造をより困難にする。
【0003】
しかしながら、例えばパワーエレクトロニクス回路での広範な使用のためには、上記ノーマリーオン構造とは対照的に、ノーマリーオフ構造が必要であり、その２ＤＥＧは、印加ゲート電圧なしで中断されるか、又は小さいカットオフ電流のみを伝導する。今日、この機能は、ショットキーゲート構造、リセスゲート構造、又はゲート下のフッ素イオン注入などの様々な代替手法によって追求されている。しかしながら、これらの変形例は全て、１Ｖ未満又は１Ｖに近い範囲の非常に低い閾値電圧Ｖｔｈしか有していない。より高い閾値電圧は、ｐドープＡｌＧａＮゲートによって達成することができる。しかしながら、この解決策には、ショットキー又はオーミック接点としてのゲート接点メタライゼーションの効果に応じて、高いゲート漏れ電流が発生する可能性があるという欠点がある。ショットキー接点が形成される場合、ｐ－ＧａＮをもたらす空乏ゾーンは、ゲート電位にわたる２ＤＥＧの直接制御を低下させる。
【0004】
あるいは、ＩＩＩ－Ｎヘテロ構造ベースのノーマリーオフＨＥＭＴは、強誘電（ＦＥ）材料の使用によっても達成することができる。例えば貯蔵用途のためのＦＥ電界効果トランジスタ（ＦＥ－ＦＥＴ）の概念と同様に、ある種の可変電圧オフセットは、強誘電性材料内でシフトされ得る電荷によってゲートスタック内に統合することができる。その結果、ゲート電圧を印加しなくても、閾値電圧が０Ｖを超えてトランジスタが非導電状態となるようにゲート電圧をシフトさせることができる。この手法は、これまで、確立された酸化物ベースの強誘電体、例えばＬｉＮｂＯ３、Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ３、ＢａＴｉＯ３、ＨｆＯ２化合物［Ｈａｏ１２、Ｚｈｕ１８、Ｌｉ１９、Ｈａｏ１７、Ｙａｎ１７、Ｔｅｏ１９］の場合に実施されていた。例えば、米国特許出願公開第２０１９／０１１５４４５号明細書は、より高いキャップ層厚にもかかわらず高い限界周波数を達成するために、ｔｃａｐ／２＊α＊εｃａｐの最大厚を有する強誘電性材料をゲートスタックに使用することを記載している。中国特許出願公開第１０７３１６９０１号明細書には、ＦＥゲートとしてＨｆＯ２を含むＦＥ－ＨＥＭＴが記載されている。中国特許出願公開第１０７３６９７０４号明細書は、ＡｌＮ又はＡｌ２Ｏ３からなるゲート誘電体と、１つの強誘電性ＨｆＺｒＯ層とを有する多層ゲート構造を含むＦＥ－ＨＥＭＴを記載している。中国特許第１０２２９９５７６号明細書は、代替ＦＥ材料としてＬｉＮｂＯ３又はＬｉＴａＯ３を使用する。台湾特許出願公開第２０１９０６１６３号公報は、２ＤＥＧを遮断し、強誘電体を含むゲート電極を含む構成要素を記載しており、電極はバックゲートとして動作することができる。特開２０１０－２０６０４８号公報も、酸化物ＦＥゲートを備えるＨＥＭＴを記載している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】米国特許出願公開第２０１９／０１１５４４５号明細書
【特許文献2】中国特許出願公開第１０７３１６９０１号明細書
【特許文献3】中国特許出願公開第１０７３６９７０４号明細書
【特許文献4】中国特許第１０２２９９５７６号明細書
【特許文献5】台湾特許出願公開第２０１９０６１６３号公報
【特許文献6】特開２０１０‐２０６０４８号公報
【発明の概要】
【0006】
閾値電圧を広い範囲で安定して設定できるＨＥＭＴが望ましい。
本発明の一実施例は、第１の層及び第２の層を備えるＨＥＭＴを提供する。第１の層は、第１の窒化化合物からなる第１の材料を含む。第１の窒化化合物は、ＩＩＩ族元素を含む。第２の層は、第２の窒化化合物からなる第２の材料を含む。第２の窒化化合物は、ＩＩＩ族元素を含む。第２の層の主面は、第２の層の主面に沿って電荷ゾーンが形成されるように、第１の層の主面に対向して配置される。電荷ゾーンは、例えば、第１の層の主面に垂直な電位プロファイルの局所極値の周りの領域を示すことができる。例えば、電荷ゾーンは、ＨＥＭＴの有効状態において伝導チャネルを提供することができ、ＨＥＭＴの無効状態において空乏化することができる。ＨＥＭＴは、第２の層が第１の層とゲート電極との間に配置されるように、少なくとも領域において、第２の層に対向して配置されるゲート電極を更に備える。更に、ＨＥＭＴは、ゲート電極と第２の層との間に配置された第３の層を備える。第３の層は、第３の窒化化合物又は亜鉛を含有する酸化化合物からなる強誘電性の第３の材料を含む。
本発明の一実施例は、第１の層及び第２の層を備えるＨＥＭＴを提供する。第１の層は、第１の窒化化合物からなる第１の材料を含む。第１の窒化化合物は、ＩＩＩ族元素を含む。第２の層は、第２の窒化化合物からなる第２の材料を含む。第２の窒化化合物は、ＩＩＩ族元素を含む。第２の層の主面は、第２の層の主面に沿って電荷ゾーンが形成されるように、第１の層の主面に対向して配置される。電荷ゾーンは、例えば、第１の層の主面に垂直な電位プロファイルの局所極値の周りの領域を示すことができる。例えば、電荷ゾーンは、ＨＥＭＴの有効状態において伝導チャネルを提供することができ、ＨＥＭＴの無効状態において空乏化することができる。ＨＥＭＴは、第２の層が第１の層とゲート電極との間に配置されるように、少なくとも領域において、第２の層に対向して配置されるゲート電極を更に備える。更に、ＨＥＭＴは、ゲート電極と第２の層との間に配置された第３の層を備える。第３の層は、第３の窒化化合物又は亜鉛を含有する酸化化合物からなる強誘電性の第３の材料を含む。
【0007】
窒化化合物又は亜鉛を含む酸化化合物からなる強誘電性材料は、特に高い分極を有することができる。本発明の実施例は、これらの材料がそれによりＨＥＭＴの実装に特によく適しているという知見に基づく。第２の層に対する第３の層の配置は、高い分極のために、閾値電圧ＨＥＭＴを大きくシフトさせることができる。これにより、より大きな閾値電圧を有するＨＥＭＴが実現でき、より大きな動作領域が可能となる。特に、正の閾値電圧、更には大きな正の閾値電圧も可能であり、それにより、ゲート電極に電圧が印加されていないときにＨＥＭＴが無効化され、この状態では漏れ電流が特に小さい。酸化物強誘電体は、１～４０μＣ／ｃｍ２の範囲の残留分極を有することが多いが、本発明に従って使用される材料の場合、この値は最大１００μＣ／ｃｍ２であり得る。より大きな分極は、より大きなオフセットがゲート電極に印加されるという利点を有し、したがって、高い外部電流によってのみオン状態を達成することができるので、構成要素はより良好に閉じられ、より安全でもある。本発明者らは更に、強誘電性窒化化合物又は酸化物成分又は酸化物における分極が特に安定であることを見出した。例えば、これらの材料は、高いキュリー温度を有する。その結果、動作温度が高い場合であっても、第３の層の分極が安定する。これらの材料の最大使用温度は、１０００℃を超えることができ、したがって、酸化物強誘電体の最高使用温度（最大３５０℃）よりも大幅に高い。したがって、本発明によるＨＥＭＴは、例えば、電流変換器などのパワーエレクトロニクス部品に特に適している。高温安定性はまた、例えばゲートファーストプロセスによるＨＥＭＴの製造プロセスの選択において高度の柔軟性を可能にする。更に、ゲート電極又はＦＥ第３層を表面側から加工するプロセスによってＨＥＭＴを製造することを可能にし得る。更に、本発明に従って使用される強誘電性材料は、純粋に焦電性材料に基づくことができ、したがって優れた分極安定性、したがって例えば高い長期安定性を有する。これにより、分極が設定された後にトランジスタが意図せずにその初期状態に戻り、したがって、例えば張力状態から導電状態に変化することを防止することができる。特に、強誘電性窒化化合物又は酸化物－亜鉛化合物は、酸化物強誘電体としてより高い使用温度及び高い長期安定性を有するが、それらは同時に、製造のために比較的低い温度バジェットを必要とする。第３の材料が第３の窒化化合物からなる特定の実施形態では、酸化物材料を含むＨＥＭＴと比較して、酸化物材料とＩＩＩ－Ｎ構造との酸化物境界面への反応を防止することができるという利点を有し、これは強誘電体の長期安定性及びヘテロ構造のトランジスタ特性にプラスの効果を有する。
【0008】
実施例では、第３の材料は、ウルツ鉱型結晶構造を有する。第３の材料としてウルツ鉱型結晶構造を有する材料が選択されるため、第２の層において、第１の層と組み合わせて第３の層を特に好都合に製造することができる。例えば、第３の材料としてウルツ鉱型構造を有する材料（ＩＩＩ－Ｎ半導体又はＺｎＯなど）を使用することにより、第１の層、第２の層、及び強誘電性の第３の層からなる層列をエピタキシャルに堆積する（例えば、互いに堆積する）ことが可能になり、それにより、ゲート構造の強誘電性部分において、例えば欠陥構造密度に関して特に良好な材料特性を達成する。これにより、例えば、欠陥が特に少ない第２の層と第３の層との境界層を得ることができる。第１、第２、及び第３の層をエピタキシャル堆積させる可能性は、簡易な製造プロセスを更に可能にする。
【0009】
第３の材料が第３の窒化化合物を含む実施例では、第３の窒化化合物は１つ以上のＩＩＩ族元素を含む。ＩＩＩ族窒化化合物は、バンドギャップが大きい半導体材料であることが多く、その結果、ＨＥＭＴを特に低損失に構成することができる。更に、ＩＩＩ族窒化化合物は、高い分極度を有することができる。多くのＩＩＩ族窒化物はウルツ鉱型結晶構造を有するため、ＩＩＩ族窒化物はウルツ鉱型結晶構造の利点と大きなバンドギャップ及び高い分極の利点とを組み合わせることができる。
【0010】
実施例では、第３の窒化化合物の１つ以上のＩＩＩ族元素は、Ａｌ、Ｇａ、又はＩｎのうちの１つ以上である。これらのＩＩＩ族窒化化合物は、高い分極度を有することができる。例えば、第３の窒化化合物は、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、ＡｌＧａ、ＩｎＧａ、又はＩｎＡｌを含む。
【0011】
実施例では、第３の材料は、遷移金属を含む。したがって、実施例では、第３の窒化化合物又は酸化物－亜鉛化合物は、遷移金属を含む。本発明者らは、遷移金属を含む材料、特にウルツ鉱型構造を有する材料が、遷移金属を含まない対応する材料よりも低い保磁力を有する傾向があることを見出した。特に、遷移金属を含む材料では、保磁力が破壊電界強度未満であり得、それにより、これらの材料は強誘電性であり得る。例えば、遷移金属を含む窒化化合物は、それに対応する純粋な窒化化合物とは対照的に強誘電性であり得る。これは、特にＩＩＩ族窒化化合物に適用することができる。したがって、遷移金属を更に含むことができる、亜鉛を含む窒化化合物又は酸化化合物は、高分極と強誘電性の存在との間の良好な妥協点である。
【0012】
実施例では、遷移金属は、Ｓｃ、Ｍｇ、Ｎｂ、Ｔｉ又はＹである。これらの遷移金属を含む窒化化合物、特にこれらの遷移金属を含むＩＩＩ族窒化化合物は、強誘電性であってもよく、特に高い分極度及び／又は特に高い使用温度を有してもよい。例えば、第３の材料は、ＡｌＳｃＮ又はＧａＳｃＮである。ＡｌＳｃＮ又はＧａＳｃＮの分極量は、１００μＣ／ｃｍ２を超える値に達することができ、したがって、閾値電圧の特に効率的なシフトを可能にし得る。また、ＡｌＳｃＮやＧａＳｃＮの使用温度は、１０００℃を超えることができる。
【0013】
第３の材料が第３の窒化化合物からなり、第３の窒化化合物が１つ以上のＩＩＩ族元素を含む実施例では、第３の材料中の遷移金属の化学量論的割合は、第３の材料中の１つ以上のＩＩＩ族元素及び遷移金属の総化学量論的割合の１０％～５０％である。第３の材料が酸化化合物からなる実施例では、第３の材料中の遷移金属の化学量論的割合は、第３の材料中の亜鉛及び遷移金属の総化学量論的割合の１０％～５０％である。本発明者らは、このような割合の遷移金属が、第２の材料が強誘電性であり、高い分極度を有することを達成し得ることを見出した。分極は、遷移金属の割合が増加するにつれて減少することができ、５０％未満の割合が第２の材料の特に高い分極度を確保することができる。したがって、第１の層及び／又は第２の層の主面に沿った電荷ゾーンにおいて高い電荷担体密度を生成することが可能である。１０％超の割合は、第２の材料が強誘電性であることを確実にし得る。
【0014】
実施例では、ゲート電極及び第３の層は、領域において、第２の層に対向するように配置されたゲート構造の一部である。したがって、電荷ゾーン内の電荷担体密度は、ゲート構造の反対側の領域内の領域内で切り換えるか又は設定することができる。
【0015】
実施例では、ＨＥＭＴは、第２の層と第３の層との間に配置された第４の層を更に備える。第４の層は、導電性材料を含む。これにより、第３の層は、第４の層とゲート電極との間に配置される。したがって、第４の層とゲート電極との間の電圧を構築することにより、電界を生成することが可能になり、それによって、第３の層の第３の材料の分極、例えば分極方向及び／又は分極度、したがってＨＥＭＴの閾値電圧を設定することができる。ゲート電極と電荷ゾーンとの間に電界が印加される実施態様と比較して、第２の層と第３の層との間に導電層を有さずに第３の層の分極を設定するために、第４の層は、その表面上で、例えば、第２の層を通る電気的破壊を防止するために、第２の層及び第３の層の上に印加されるそれぞれの電界の関係を設定することができるという利点を提供する。更に、第４の層は、例えば、第３の層をより低い温度で堆積させることができるように、第３の層のためのより好都合な成長条件を作り出すことができる。
【0016】
実施例では、ＨＥＭＴは、第２の層と第３の層との間、又は第２の層と第４の層との間に配置された絶縁層を更に備える。絶縁層は、電気絶縁材料、例えばＡｌ２Ｏ３、ＧａＮ、又はＡｌＮを含む。絶縁層は、第２の層の主面に対向する第２の層の更なる主面を不動態化することができる。
【0017】
実施例では、ゲート構造は、第２の層と第３の層との間に配置された第４の層を含む。第４の層は、導電性の第４の材料を含む。第４の層の特性及び利点は、上述の第４の層に対応することができる。
【0018】
実施例では、ゲート構造は、第２の層と第３の層との間、又は第２の層と第４の層との間に配置された絶縁層を更に備える。絶縁層は、電気絶縁材料を含む。絶縁層の特性及び利点は、上述の絶縁層に対応することができる。
【0019】
実施例では、第４の材料は、ＴｉＮ、ＮｂＮ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｍｏのうちの１つである。
【0020】
実施例では、第１の材料と第２の材料との組合せは、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ、ＡｌＳｃＮ／ＧａＮ、ＡｌＮ／ＧａＮ、及びＡｌＳｃＮ／ＧａＳｃＮのうちの１つである。
【0021】
実施例では、ＨＥＭＴは、第１の層と第２の層との間に配置された中間層を含む。中間層は、窒化化合物からなる材料を含む。中間層は、例えば第１の層又は第１の層の主面において、第２の層から離間して配置されるように、電荷ゾーンの位置を変更することができる（電荷ゾーンはまた、中間層内に延在することができる）。第１の層は、実施例では、少なくとも大部分が第１の層内に位置するときに電荷ゾーンが特に高い導電率を有することができるように、エピタキシャルに製造されている可能性があるため、欠陥が特に少ない可能性がある。
【0022】
実施例において、中間層の材料は、ＡｌＮ又はＧａＮのいずれかである。
実施例では、ゲート電極に電圧を印加することにより、第３の材料の分極状態を設定することができる。これらの実施例では、電荷ゾーンを通る伝導チャネルが有効状態と無効状態との間で変化するＨＥＭＴの閾値電圧は、第３の材料の分極状態に依存する。閾値電圧は、例えば、ゲート電極と電荷ゾーンとの間に必要とされ、有効状態と無効状態との間で変化するように意図された電圧を指すことができる。有効状態と無効状態との間の変化は、例えば、電荷ゾーンの導電率又は抵抗によって特徴付けることができる。したがって、ゲート電極に電圧を印加することで、ＨＥＭＴの閾値電圧を設定することができる。
実施例では、ゲート電極に電圧を印加することにより、第３の材料の分極状態を設定することができる。これらの実施例では、電荷ゾーンを通る伝導チャネルが有効状態と無効状態との間で変化するＨＥＭＴの閾値電圧は、第３の材料の分極状態に依存する。閾値電圧は、例えば、ゲート電極と電荷ゾーンとの間に必要とされ、有効状態と無効状態との間で変化するように意図された電圧を指すことができる。有効状態と無効状態との間の変化は、例えば、電荷ゾーンの導電率又は抵抗によって特徴付けることができる。したがって、ゲート電極に電圧を印加することで、ＨＥＭＴの閾値電圧を設定することができる。
【0023】
実施例では、第３の材料は第１の分極状態を有する。第３の材料が第１の分極状態にあるとき、ＨＥＭＴの閾値電圧は正である。分極状態は、分極方向及び分極度によって特徴付けることができる。電荷ゾーンが２ＤＥＧを形成するように構成される実施例では、第１の分極状態の第３の材料の分極方向は、少なくとも部分的に、電荷ゾーンから外方を向くことができる。正の閾値電圧は、ゲート電極に電圧が印加されていないとき、すなわちＨＥＭＴがノーマリーオフ状態にあるときにＨＥＭＴが無効化されることを意味する。
【0024】
実施例では、第３の材料は第２の分極状態を更に有し、第３の材料が第２の分極状態にあるとき、閾値電圧は負である。実施例では、第２の分極状態の分極度は、第１の分極状態の分極度よりも小さくすることができる。更なる実施例では、第２の分極状態の分極方向は、少なくとも部分的に、電荷ゾーンに面することができる。負の閾値電圧は、ゲート電極に電圧が印加されていないとき、すなわちＨＥＭＴがノーマリーオン状態にあるときにＨＥＭＴが有効になることを意味する。したがって、第３の材料の分極状態を第１の分極状態と第２の分極状態との間に設定することにより、ＨＥＭＴをノーマリーオフ状態とノーマリーオン状態との間で変化させることができる。
【0025】
実施例では、ゲート電極は、ゲート電極領域内に配置され、それにより、ゲート電極領域に対向する第３の層の第１の領域内の第３の材料の分極状態は、ゲート電極に電圧を印加することによって設定することができる。第３の層は、第１の領域とは異なる第２の領域を更に含む。第３の層の第２の領域の第３の材料は、第２の領域に対向する電荷ゾーンの電荷ゾーン領域が導電状態にある分極状態にある。
【0026】
実施例では、ＨＥＭＴは、ソース領域及びドレイン領域を含む。電荷ゾーンは、ソース領域とドレイン領域との間に電気的に直列に配置される。例えば、ゲート電極に電圧を印加することによって、又は第３の材料の分極状態を設定することによって、電荷ゾーン内の電荷担体密度を設定することにより、ソース領域とドレイン領域との間の導電率を設定することが可能になる。
【0027】
本発明の更なる実施例は、制御信号発生器を更に備える、本発明によるＨＥＭＴを備えるトランジスタアセンブリを提供する。制御信号発生器は、第３の層のゲート電極と対向する領域に分極方向を設定するために、ゲート電極に電圧を印加するように構成されている。分極方向を設定することで、ＨＥＭＴの閾値電圧を効率的に設定することができる。例えば、ゲート電極に対向する領域の第３の層は、臨界値よりも大きい大きさの電圧を印加することによって、一方向に完全に又は実質的に完全に分極することができる。
【0028】
実施例では、制御信号発生器は、ＨＥＭＴの閾値電圧を設定するために、ゲート電極に電圧を印加することによって、ゲート電極に対向する第３の層の領域に分極度を設定するように構成される。例えば、分極度を設定するために、ゲート電極に対向する領域において第３の材料の不均一な分極をもたらす電圧を選択することができる。分極度を設定することで、閾値電圧を正確に設定することができる。
【0029】
実施例では、制御信号発生器は、閾値電圧を正の値に設定するために、ゲート電極と電荷ゾーンとの間に第１の電圧を印加し、閾値電圧を負の値に設定するために、ゲート電極と電荷ゾーンとの間に第２の電圧を印加するように構成される。
【0030】
本発明の更なる実施例は、本発明によるＨＥＭＴの制御方法を提供する。本方法は、第３の材料の分極方向及び／又は分極度を設定するために、電荷ゾーンを通る伝導チャネルを有効状態と無効状態との間で変化させるＨＥＭＴの閾値電圧を設定するために、ゲート電極に電圧を印加する工程を含む。これにより、ＨＥＭＴの用途に応じて閾値電圧を設定することができる。
【0031】
本発明の更なる実施例は、本発明によるＨＥＭＴの制御方法を提供する。本方法は、電荷ゾーンを通る伝導チャネルを有効状態と無効状態との間で変化させるＨＥＭＴの閾値電圧が正であるように、第３の材料の分極方向及び／又は分極度を設定するために、ゲート電極に第１の電圧を印加する工程を含む。これにより、ＨＥＭＴをノーマリーオフ状態で動作させることができる。
【0032】
本発明の更なる実施例は、ＨＥＭＴの製造方法を提供する。本方法は、第１の層、第２の層、及び第３の層を含む層構造を提供することを含む。第３の層は、強誘電性の材料を含む。層構造の提供は、第２の層が第１の層と第３の層との間に配置されるように行われる。更に、層構造の提供は、第２の層の主面が第１の層の主面に対向して配置されるように行われる。層構造の提供は、電荷ゾーンが第１の層の主面に沿って形成されるように行われる。本方法は、電荷ゾーンがソース接点とドレイン接点との間に電気的に直列に配置されるように、ソース接点及びドレイン接点を適用する工程を更に含む。本方法は、ソース接点及びドレイン接点と共に層構造の温度処理又はアニーリングを更に含む。
【0033】
温度処理によって、ソース接点と電荷ゾーンとの間、又はドレイン接点と電荷ゾーンとの間のオーミック接触を達成又は改善することができる。本発明者らは、層構造が第３の層を含む製造プロセスの時点で温度処理が行われる場合、ＨＥＭＴを特に単純な方法で製造できることを見出した。
【0034】
一実施形態によれば、層構造の提供は、第２の層の主面が第１の層の主面に対向して配置され、第１の層の主面に沿って電荷ゾーンが形成されるように、かつ第１の層がウルツ鉱型結晶構造を有する第１の材料を含み、第２の層がウルツ鉱型結晶構造を有する第２の材料を含むように、第１の層及び第２の層をエピタキシャルに塗布することを含む。更に、層構造を提供することは、第２の層が第１の層と第３の層との間に配置され、第３の層がウルツ鉱型結晶構造を有する強誘電性の第３の材料を含むように、強誘電性の第３の層をエピタキシャルに塗布することを含む。
【0035】
本発明の更なる実施例は、ＨＥＭＴの製造方法を提供する。本方法は、第２の層の主面が第１の層の主面に対向して配置され、電荷ゾーンが第１の層の主面に沿って形成されるように、第１の層及び第２の層をエピタキシャルに塗布することを含む。更に、第１の層及び第２の層のエピタキシャル塗布は、第１の層がウルツ鉱型結晶構造を有する第１の材料を含み、第２の層がウルツ鉱型結晶構造を有する第２の材料を含むように行われる。本方法は、第２の層が第１の層と第３の層との間に配置され、第３の層がウルツ鉱型結晶構造を有する強誘電性の第３の材料を含むように、強誘電性の第３の層をエピタキシャルに塗布することを更に含む。
【0036】
本発明者らは、第１の層、第２の層及び第３の層がエピタキシャルに製造されるという点で、ＨＥＭＴを特に単純で欠陥のない方法で製造できることを見出した。この目的のために、第１の層、第２の層、及び強誘電性の第３の層がウルツ鉱型結晶構造を有する場合に特に有利である。
【0037】
本発明の実施例は、添付の図面を参照して以下に記載される。
【図面の簡単な説明】
【0038】
【図1】一実施形態のＨＥＭＴの概略図である。
【図2】ゲート電極を備えるＨＥＭＴの更なる実施例の概略図である。
【図3】ゲート構造を備えるＨＥＭＴの更なる実施例の概略図である。
【図4】領域内に配置されたゲート電極を備えるＨＥＭＴの更なる実施例の概略図である。
【図5】ゲート構造を備えるＨＥＭＴの更なる実施例の概略図である。
【図6】一実施形態によるＨＥＭＴの切換方法のフロー図である。
【図7】更なる実施形態によるＨＥＭＴの切換方法のフロー図である。
【図8】一実施形態のＨＥＭＴの製造方法のフロー図である。
【図9】更なる実施形態によるＨＥＭＴの製造方法のフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【0039】
以下、本発明の実施例を、添付の説明を用いて詳細に説明する。以下の説明では、本開示の実施例のより完全な説明を提供するために、多くの詳細が説明される。しかしながら、これらの具体的な詳細のない他の実施例を実施することができることは当業者には明らかである。異なる記載された実施例の特徴は、対応する組合せの特徴が相互に排他的でない限り、又はそのような組合せが明示的に除外されない限り、互いに組み合わせることができる。
【0040】
同一又は類似の要素、又は同じ機能を有する要素には、同一又は類似の参照符号又は同じ名称が付されてもよく、同一又は類似の参照符号又は同じ名称が付された要素の繰り返しの説明は、典型的には省略されることに留意されたい。同じ又は類似の参照符号又は同じ名称を有する要素の説明は交換可能である。
【0041】
図１は、本発明の一実施例に係るＨＥＭＴ１００の概略図である。ＨＥＭＴ１００は、第１の層１１０及び第２の層１２０を備える。第１の層１１０は、第１の窒化化合物からなる第１の材料１１１を含む。第１の窒化化合物は、ＩＩＩ族元素を含む。第２の層１２０は、第２の窒化化合物からなる第２の材料１２１を含む。第２の窒化化合物は、ＩＩＩ族元素を含む。第２の層１２０の主面１２２は、電荷ゾーン１６０が第１の層の主面１１２に沿って形成されるように、第１の層１１０の主面１１２に対向して配置される。ＨＥＭＴは、ゲート電極１７０を更に備える。ゲート電極１７０は、第２の層１２０が第１の層１１０とゲート電極１７０との間に配置されるように、少なくとも領域において、第２の層１２０に対向して配置される。更に、ＨＥＭＴは第３の層１３０を備える。第３の層１３０は、ゲート電極１７０と第２の層１２０との間に配置される。第３の層１３０は、強誘電性の第３の材料１３１を含む。第３の材料１３１は、第３の窒化化合物からなる。あるいは、第３の材料１３１は、亜鉛を含有する酸化化合物、例えば酸化亜鉛又は酸化亜鉛化合物からなる。
【0042】
図１は、例として選択されるデカルト座標系を示す。実施例では、第１の層１１０、第２の層１２０、及び第３の層１３０は、ｚ方向に沿って配置され、各層はｘ－ｙ平面内に延在することができる。
【0043】
実施例では、第１の層１１０、第２の層１２０、第３の層１３０、及びゲート電極１７０は層構造の一部である。層構造の各層は、主面と、主面の反対側の更なる主面とを含むことができる。層の主面は、層構造の主方向に沿って互いに平行に配置することができる。実施例では、第１の層１１０、第２の層１２０、第３の層１３０、及びゲート電極１７０は、ｘ－ｙ平面と平行に配置することができる。
【0044】
層構造は、例えば、その２つの層が少なくとも境界面によって互いに分離されていることを特徴とすることができる。したがって、互いに隣接して配置された層構造の２つの層の間の境界面は、２つの層の互いに対向する主面から形成することができる。この場合、境界面は、例えばそれらの組成及び／又はそれらの構造によって互いに異なり得る２つの異なる材料間の境界面を構成することができる。
【0045】
第１の層の主面及び第２の層の主面の対向配置は、これらの主面が互いに対向して配置されていることを意味することができる。図１に示すように、第１の層１１０の主面１１２は第２の層１２０に面し、これに対応して第２の層１２０の主面１２２は第１の層に面する。
【0046】
例えば、第１の材料１１１及び第２の材料１２１は半導電性材料であり、そのバンドギャップは、電荷ゾーン１６０を提供することができるｚ方向の電位曲線の極値が主面１１２に沿って形成されるように互いに整合される。極値は、２ＤＥＧが主面１１２に沿って形成され得るように、最小値とすることができる。
【0047】
実施例では、第１の材料１１１及び第２の材料１２１の組合せは、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ、ＡｌＳｃＮ／ＧａＮ、ＡｌＮ／ＧａＮ及びＡｌＳｃＮ／ＧａＳｃＮのうちの１つである。
【0048】
実施例では、第１の材料及び第２の材料の両方が、ウルツ鉱型結晶構造を有する。
【0049】
第３の材料１３１は強誘電性であるため、第３の材料１３１が電界を受けることで、第３の材料１３１の分極状態を設定することができる。強誘電性材料の分極状態はまた、例えば反対方向を有する十分な大きさの電界が印加されるために、電界の印加後に維持させることができる。例えば、上記電界を生成するために、例えばソース領域又はドレイン領域を介して、ゲート電極１７０と電荷ゾーン１６０との間に電圧を印加することができる。第３の層１３０内又は第３の層１３０内の考慮される領域内の第３の材料１３１は、完全に一方向に分極するか、又は部分的に分極することができる。例えば、個々の局所ドメインは一方向に分極することができ、更なるドメインは無分極にするか、又は異なる方向に分極することができる。第３の材料１３１又は第３の材料１３１の考慮される領域の分極状態は、第３の材料１３１又は第３の材料１３１の考慮される領域にわたって平均化された分極に関連し得る。図１では、実施例として、分極方向が少なくとも部分的に第２の層１２０から反対側を向く第１の分極状態１３４と、分極方向が少なくとも部分的に第２の層１２０に向く第２の分極状態１３４’とが示されている。
【0050】
第３の材料１３１の分極は、ゲート電極によって印加される電界と同様に、電荷ゾーン１６０の分極に作用することができる。第３の材料１３１の分極状態に応じて、電荷ゾーン１６０はそれに応じて空乏化され得る、すなわち遮断され得る、又は導電性であり得る。更に、電荷ゾーン１６０の電位は、ゲート電極１７０と対向する電荷ゾーン１６０の領域内の電荷担体密度を変化させ、したがって電荷ゾーン１６０の導電性を有効又は無効にするために、ゲート電極１７０と電荷ゾーン１６０との間に電圧を印加することによって電界効果を利用して変化させることができる。ゲート電極１７０と電荷ゾーン１６０との間に必要とされる、電荷ゾーン１６０を通る伝導チャネルを有効状態と無効状態との間で変化させる電圧は、ＨＥＭＴの閾値電圧とも称され得る。実施例では、第３の層１３０の分極度を設定することで、ＨＥＭＴの閾値電圧を徐々に設定することができる。
【0051】
したがって、電荷ゾーン１６０の多数の負荷担体が電子である実施例では、電荷ゾーンは２ＤＥＧを含むか、又は２ＤＥＧによって形成することができ、ｚ方向の第３の材料の分極方向は、ＨＥＭＴの閾値電圧、例えば第１の分極状態１３４の正のシフトを引き起こすことができる。ｚ方向の第３の材料の分極方向は、ＨＥＭＴの閾値電圧の負のシフト、例えば第２の分極状態１３４’をもたらすことができる。この場合、閾値電圧のシフトの大きさは、分極度に依存し得る。すなわち、正閾値電圧と負閾値電圧との間の移行は、実施例では、第３の層の分極度の変更によって行うことができ、分極方向は必ずしも変化する必要はない。
【0052】
第３の材料１３１の分極の変更又は切換に必要とされ得る電界の強度は、実施例では、０．１ＭＶ／ｃｍ～８ＭＶ／ｃｍであり得る。第３の層１３０の層厚は、例えば、５～１０００ｎｍの範囲内とすることができる。例えば、分極を切り換えるための電界の強度は、第３の層１３０の層厚の選択によって影響され得る。
【0053】
電荷ゾーン内の多数の電荷担体が電子である実施例では、ＨＥＭＴは、閾値電圧（符号を考慮に入れる）が、第３の材料１３１の分極が実質的に変化する電圧に対して、例えば、少なくとも１．２分の１、１．５分の１、２分の１、又は５分の１に減少するように、例えば、５０％超、又は３０％超、又は１０％超となるように構成することができる。したがって、第３の材料の分極を第２の分極状態に設定するのに十分な電界が、電荷ゾーンとゲート電極との間に確立され得ることを確実にすることが可能である。
【0054】
実施例では、ゲート電極１７０に電圧を印加することにより、第３の材料１３１の分極状態を設定することができる。電荷ゾーン１６０を通る伝導チャネルを有効状態と無効状態との間で変化させる、ＨＥＭＴの閾値電圧は、第３の材料１３１の分極状態に依存する。
【0055】
電荷ゾーン１６０が２ＤＥＧを形成する実施例では、導電状態において、第２の層１２０の方向、すなわちｚ方向とは反対に少なくとも部分的に面する第３の材料１３１の分極方向は、閾値電圧の正の値のシフトをもたらすことができ、一方、第２の層１２０から少なくとも部分的に反対に向く、すなわち、ｚ方向に向く第３の材料１４２の分極方向は、閾値電圧の負の値のシフトをもたらすことができる。
【0056】
実施例では、第３の材料１３１は、第１の分極状態を有する。第３の材料１３１が第１の分極状態にある場合、ＨＥＭＴの閾値電圧は正である。例えば、第１の分極状態は、分極方向が少なくとも部分的にｚ方向に沿って配向された分極状態、例えば分極状態１３４であってもよい。電荷ゾーン１６０が２ＤＥＧを形成する実施例では、導電状態において、正の閾値電圧は、ゲート電極に電圧が印加されていないときに電荷ゾーン１６０を通る伝導チャネルが無効にされることを意味することができる。
【0057】
実施例では、第３の材料１３１は、更に第２の分極状態を有する。第３の材料１３１が第２の分極状態にある場合、ＨＥＭＴの閾値電圧は負である。例えば、第２の分極状態は、その分極方向が、少なくとも部分的にｚ方向とは反対に、例えば第１の分極状態、例えば分極状態１３４’とは反対に配向される分極状態であってもよい。あるいは、第２の分極状態は、第１の分極状態と同じ分極方向を有するが、第１の分極状態よりも低い分極度を有することができる。電荷ゾーン１６０が２ＤＥＧを形成する実施例では、導電状態において、負の閾値電圧は、ゲート電極に電圧が印加されていないときに電荷ゾーン１６０を通る伝導チャネルが可能であることを意味することができる。
【0058】
実施例では、ＨＥＭＴ１００はソース領域１７２及びドレイン領域１７４を更に含み、電荷ゾーン１６０がソース領域１７２とドレイン領域１７４との間に電気的に直列に配置されるように配置される。ソース領域１７２及びドレイン領域１７４の配置は、一実施例として理解されるべきである。例えば、ソース領域１７２及びドレイン領域１７４は、第１の層１１０に隣接して、及び／又は第２の層１２０に隣接して配置することができる。導電状態において、電荷ゾーン１６０は、ソース領域１７２とドレイン領域１７４との間に伝導チャネルを提供することができる。このように、ゲート電極１７０に電圧を印加することにより、ソース領域１７２とドレイン領域１７４との間の伝導チャネルを有効又は無効にすることができる。
【0059】
実施例では、第３の材料１３１は、ウルツ鉱型結晶構造を有する。
【0060】
したがって、実施例では、第１の材料１１１、第２の材料１２１、及び第３の材料１３１は、ウルツ鉱型結晶構造を有することができる。
【0061】
実施例では、第３の材料１３１は、１つ以上のＩＩＩ族元素を含む窒化化合物を含む。例えば、第３の材料１３１の窒化化合物は、Ａｌ、Ｇａ、及びＩｎのうちの１つ以上を含む。
【0062】
第３の材料１３１が窒化化合物である場合と、第３の材料１３１が亜鉛を含む酸化化合物である場合の両方について、第３の材料１３１は遷移金属を含むことができる。遷移金属は、任意選択的に、Ｓｃ、Ｍｇ、Ｎｂ、Ｔｉ、又はＹのうちの１つであってもよい。実施例では、第３の材料は、ＡｌＳｃＮ又はＧａＳｃＮである。
【0063】
実施例では、第３の材料１３１は、１つ以上のＩＩＩ族元素及び遷移金属を含む窒化化合物である。これらの実施例では、第３の材料１３１の窒化化合物中の遷移金属の化学量論的割合は、窒化化合物中の１つ以上のＩＩＩ族元素及び遷移金属の総化学量論的割合の１０％～５０％とすることができる。例えば、第３の材料１３１は、化学式Ａ（１－ｘ）ＴｘＮを有し、式中、ＡはＩＩＩ族元素又は複数の異なるＩＩＩ族元素を表し、Ｔは遷移金属を表し、Ｎは窒素であり、ｘは０．１～０．５である。
【0064】
実施例では、第３の材料１３１は、１つ以上のＩＩＩ族元素及び遷移金属を含む酸化化合物である。これらの実施例では、第３の材料１３１の酸化化合物中の遷移金属の化学量論的割合は、窒化化合物中の亜鉛及び遷移金属の総化学量論的割合の１０％～５０％とすることができる。例えば、第３の材料１３１は、化学式Ｚｎ（１－ｘ）ＴｘＮを有し、式中、Ｔは遷移金属を表し、ｘは０．１～０．５である。
【0065】
実施例では、第３の材料１３１は、第２の材料１２１よりも低い保磁力を有する。したがって、第２の材料１２１も強誘電性であり得る。例えば、第２の層の主面に垂直な方向に各材料の分極部分を切り換えるか、又は変更するために、第３の材料１３１は、第２の材料１２１よりも保磁力が低い。
【0066】
結果として、第３の材料の分極方向は、ゲート電極１７０と電荷ゾーン１６０との間の電界によって変更するか、又は切り換えることができ、この電界は、第２の材料の分極方向を実質的に変更することなく、第３の材料１３１の保磁力よりも大きく、第２の材料１２１の保磁力よりも小さい電界強度を有する。
【0067】
例えば、上述の保磁力の関係は、特に第１、第２、及び第３の材料がウルツ鉱型結晶構造を有する実施例では、第３の材料又は第３の層が第２の材料又は第２の層よりも高い割合の遷移金属を有するために達成することができる。遷移金属の割合は、例えば、窒化化合物中の遷移金属の記載された割合である。
【0068】
代替的又は追加的に、保磁力間の上述の関係は、第３の材料１３１が引張応力を有するという点で達成することができる。例えば、第３の層は、第２の層の主面に垂直な方向において、基準格子定数よりも大きい格子定数を有する。基準格子定数は、例えば、第３の材料の平衡格子定数とすることができる。引張応力は、例えば、第３の材料中の第３の層の、例えば堆積の場合の製造プロセスによって発生させることができる。
【0069】
図２は、ＨＥＭＴ１００の更なる実施例の概略図である。ＨＥＭＴ１００は、第２の層１２０と第３の層１３０との間に配置された第４の層２４０を含むことができる。第４の層２４０は、導電性材料を含む。第４の層２４０の導電性材料は、例えば、ＴｉＮ、ＮｂＮ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｉのうちの１つである。第４の層２４０は、第４の層２４０とゲート電極１７０との間に第３の層１３０が配置されるように配置することができる。第４の層２４０は、フローティングゲートとして機能することができる。すなわち、第４の層２４０は、電位フリーであり得る、すなわち特定の電位に切り換えられ得ない。第４の層２４０とゲート電極１７０との間の関係は、第３の層を通る電界強度を決定することができる。好都合には、第４の層２４０は、ゲート電極１７０よりも大きい表面領域を有する。したがって、第３の材料の分極を変化させるために、第３の層１３０を通じて十分に高い電界強度を達成することが可能であり、一方、第２の層を通じての電界強度は、破壊又は強誘電切換を防止するために十分に小さい。この場合、第４の層又はゲート電極の表面領域は、層と平行な、すなわち、例えば第１の層１１０又は第２の層１２０の主面と平行な平面内の延長部を指すことができる。言い換えると、ゲート電極に対向して配置された第４の層２４０の主面の表面測定値は、第４の層に対向して配置されたゲート電極の主面の表面測定値よりも大きくすることができる。この場合、第４の層の主面は、第２の層の主面に対向して、例えば、平行に配置され得る。
【0070】
したがって、実施例では、ゲート電極１７０と第４の層２４０との間の電気容量は、例えば、電荷ゾーンが導電状態にあるとき、第４の層２４０と電荷ゾーン１６０との間の電気容量よりも小さい。
【0071】
実施例では、ＨＥＭＴ１００は、絶縁層２５０を更に備える。絶縁層５２の実装は、第４の層２４０の実装とは独立している。絶縁層２５０は、図２に示すように、第２の層１２０と第４の層２４０との間に配置することができる。他の実施例では、絶縁層２５０は、第４の層２４０なしで実装することができる。これらの実施例では、絶縁層２５０は、第２の層１２０と第３の層１３０との間に配置される。絶縁層２５０は、第２の層１２０の主面１２２とは反対側の更なる主面２２４を不動態化することができる。絶縁層２５０は、電気絶縁材料、例えばＡｌ２Ｏ３、ＧａＮ又はＡｌＮからなるものを含む。
【0072】
実施例では、ＨＥＭＴ１００は、中間層２１５を更に含む。中間層２１５は、第１の層１１０と第２の層１２０との間に配置される。中間層２１５は、窒化化合物からなる材料を含む。中間層２１５は、例えば、１０ｎｍ未満の厚さとすることができる。中間層２１５は、電荷ゾーン１６０を第１の層１１０内に位置させることができる。第１の層１１０は、欠陥が特に低くすることができ、それにより、電荷ゾーン１６０が第１の層１１０内に位置するとき、電荷ゾーン１６０を通る伝導チャネルの導電率を特に高くすることができる。実施例では、中間層２１５の材料は、ＡｌＮ及びＧａＮのうちの一方とすることができる。これらの材料は、特に、第１の材料１１１及び第２の材料１２１の組合せが、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ、ＡｌＳｃＮ／ＧａＮ及びＡｌＳｃＮ／ＧａＳｃＮのいずれかである場合に好適である。中間層２１５は、第１の層１１０の主面１１２に隣接し、及び第２の層１２０の主面１２２に隣接して配置することができる。中間層２１５を有さない実装の場合、第１の層１１０の主面１１２は、第２の層１２０の主面１２２に隣接して配置することができる。中間層２１５は、第４の層２４０及び絶縁層２５０とは独立して実装することができる。
【0073】
図１に示す実施例では、第４の層２４０、絶縁層２５０、及び中間層２１５は、互いに独立して実装することができる。
【0074】
図３は、ＨＥＭＴ１００の更なる実施例の概略図である。本実施例によれば、ゲート電極１７０及び第３の層１３０は、ゲート構造３７５の一部である。ゲート構造３７５は、領域において、第２の層１２０に対向して配置される。
【0075】
図３に示す実施例では、ゲート構造３７５は、第１の層１１０及び第２の層１２０の第１の領域１２５に対向して配置されている。第１の層１１０及び第２の層１２０は、第１の領域１２５とは異なる第２の領域１２７を更に含むことができる。第３の層１３０の分極は、ゲート構造３７５に対向する電荷ゾーン１６０の領域１６１内の電荷担体密度に影響を及ぼし得る。第１の層１１０及び／又は第２の層１２０の第２の領域１２７に位置する電荷ゾーン１６０の第２の領域１６２は、（例えば、エッジ効果とは別に）第３の層１３０の分極の影響をほとんど受けないままであり得る。図３に示す実施例では、ゲート構造３７５は、第４の層２４０を更に含む。しかしながら、ゲート構造３７５は、図２に示されるように、第４の層２４０なしで、及び／又は追加的に絶縁層２５０を用いて実装することもできる。任意選択的に、図３に示す実施例では、中間層２１５も実装することができる。
【0076】
図３に示すＨＥＭＴ１００の実装の一実施例では、第１の材料１１１は真性ＧａＮであり、第２の材料１２１はＡｌ０．３Ｇａ０．７Ｎであり、第３の材料１３１はＡｌＳｃＮである。任意選択的に、本実施例では、第４の層２４０の材料は、ＴｉＮとすることができる。
【0077】
図４は、ＨＥＭＴ１００の更なる実施例の概略図である。図４の実施例によれば、ゲート電極１７０がゲート電極領域４７１に配置されているため、ゲート電極領域４７１に電圧を印加することによって、ゲート電極１７０に対向する第３の層１３０の第１の領域４３３における第３の材料１３１の分極状態を設定することができる。第３の層１３０は、第１の領域４３３とは異なる第２の領域４３５を更に含む。第３の層１３０の第２の領域４３５の第３の材料は、第２の領域４３５に対向する電荷ゾーン１６０の電荷ゾーン領域４６５が導電状態にある分極状態にある。
【0078】
第３の層１３０の第１の領域４３３における第３の材料の分極状態を設定することにより、例えば、ゲート電極１７０に対向する電荷ゾーン１６０の電荷ゾーン領域４６３の導電率に対する閾値電圧を設定することができる。更に、ゲート電極１７０を使用して、更なる電荷ゾーン領域４６３を通る伝導チャネルを有効又は無効にすることができる。
【0079】
ゲート電極領域４７１は、ソース領域１７２とドレイン領域１７４との間の方向（例えば、ｘ方向）を横切る方向（例えば、ｙ方向）に、ソース領域１７２とドレイン領域１７４との間に配置されたチャネル領域を完全に覆って延在することができ、それにより、更なる電荷ゾーン領域４６３が電気絶縁状態にある場合、ソース領域１７２及びドレイン領域１７４は互いに電気的に絶縁される。ゲート電極４７１の表面は、例えば、ソース領域１７２とドレイン領域１７４との間の伝導チャネルを無効にすることができるように正確に非常に大きくすることができるが、この条件下では、電荷ゾーン１６０とゲート電極１７０との間の漏れ電流を防止し、ゲート電極の静電容量を小さく保つために、可能な限り小さくすることができる。同時に、例えば、ソース領域１７２とドレイン領域１７４との間、又はソース領域１７２とゲート電極１７０との間、又はドレイン領域１７４とゲート電極１７０との間の電圧が１００Ｖを超える場合でも、ソース領域１７２とドレイン領域１７４との間の距離を非常に大きくして、電圧破壊を防止することができる。実施例では、ソース領域１７２からドレイン領域１７４に向かう方向におけるゲート電極１７０の寸法は、ソース領域１７２とドレイン領域１７４との間の距離の１０％～８０％、又は４０％～６０％である。
【0080】
図４に示す実施例では、第４の層２４０、絶縁層２５０、及び中間層２１５は、互いに独立して任意に実装することができる。実施例では、第４の層２４０は、ゲート電極１７０に対向する領域に配置することができる。
【0081】
【0082】
図５は、ＨＥＭＴ１００の更なる実施例の概略図である。本実施例によれば、ＨＥＭＴ１００は、第１の層１１０が基板１０６と第２の層１２０との間に配置されるように、第１の層１１０に対向して配置される基板１０６を備える。基板１０６は、例えば、Ｓｉ、ＳｉＣ、又はＧａＮを含むことができる。更に、ＨＥＭＴ１００は、基板１０６と第１の層１１０との間に配置された多層格子バッファ１０８を備える。格子バッファ１０８は、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮの複数又は全てを含む異なる材料の複数の層を含む。格子バッファ１０８は、基板１０６の格子定数と第１の層１１０の格子定数との間の移行を作り出すのに役立つことができ、その結果、第１の層１１０は、欠陥が少なく基板１０６上に製造することができる。基板１０６及び格子バッファ１０８は、図１～図４に示す実施例においても実現可能である。
【0083】
図５に示す実施例では、ソース領域１７２及びドレイン領域１７４は、第１の層１１０の主面１１２に隣接して配置され、その結果、電荷ゾーン１６０に対するソース領域１７２及びドレイン領域１７４の電気的接触が保証される。
【0084】
また、図５に示す実施例では、ゲート構造３７５は、第２の層１２０の更なる主面２２４の領域に隣接して配置される。ＨＥＭＴ１００は、例えばＳｉＮなどの電気絶縁材料を含むことができるパッシベーション層５５５を含むことができる。例えば、パッシベーション層５５５は、第２の層１２０の別の主面２２４のゲート構造３７５に隣接していない領域に隣接して配置されてもよい。更に、パッシベーション層５５５は、ゲート構造３７５に隣接して配置され得る。
【0085】
ＨＥＭＴ１００は、導電性材料を含むことができる遮蔽層５７６を更に含むことができる。遮蔽層５７６は、例えば、ソース領域１７２又はドレイン領域１７４に導電的に接続することができる。遮蔽層５７６は、ゲート電極１７０が遮蔽層５７６と第２の層１２０との間に配置されるように、ゲート電極に対向して配置される。更に、電気的絶縁層、例えばパッシベーション層５５５が、遮蔽層５７６とゲート電極１７０との間に配置される。ゲート電極１７０とソース領域１７２との間に電圧が印加される場合、ゲート電極１７０と領域１２０に電気的に接続された電荷ゾーン１６０との間に電界効果を発生させるために、遮蔽層５７６の配置により、ドレイン領域１７４に対してゲート電極を遮蔽することができる。更に、遮蔽層５７６の配置は、ゲート電極の電界の分布を確実にすることができ、その結果、強い局所電界を防止することができ、よって構成要素の信頼性を高めることができる。
【0086】
ＨＥＭＴ１００は、電気絶縁材料５８０、例えば酸化化合物を含むことができる第５の層５８０を更に含むことができる。第５の層５８０は、パッシベーション層５５５及び／又は遮蔽層５７６が第５の層５８０と第２の層１２０との間に配置されるように、パッシベーション層５５５及び／又は遮蔽層に隣接して配置することができる。例えば、第５の層５８０は、ソース領域とドレイン領域との間の領域を完全に覆うことができる。第５の層は、保護、特に遮蔽層５７６の保護に役立つことができる。
【0087】
図５に示すＨＥＭＴ１００の実施態様の一例では、基板１０６は、Ｓｉ、ＳｉＣ、又はＧａＮからなる。格子バッファ１０８は、少なくともＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮの層を含むことができる。第１の材料１１１は真性ＧａＮとすることができ、第２の材料はＡｌ０．３Ｇａ０．７Ｎとすることができ、第３の材料１３１はＡｌＳｃＮである。任意選択的に、第４の層２４０は、ＴｉＮからなることができる。パッシベーション層５５５は、例えばＳｉＮからなることができる。
【0088】
図１及び図２に示すように、ＨＥＭＴ１００は、ＨＥＭＴ１００及び制御信号発生器１９０を備えるトランジスタアセンブリの一部であってもよい。これは、図３～図５の実施例にも関係する。制御信号発生器１９０は、第３の層１３０のゲート電極１７０と対向する領域に分極方向を設定するために、ゲート電極１７０に電圧を印加するように構成されている。
【0089】
例えば、制御信号発生器１９０は、ＨＥＭＴ１００の閾値電圧を設定するために、ゲート電極１７０に電圧を印加することによって、ゲート電極１７０に対向する第３の層１３０の領域に分極度を設定するように構成される。
【0090】
例えば、制御信号発生器１９０は、印加電圧の極性に対応する方法で、ゲート電極１７０に対向する領域において第３の材料が完全に又は部分的に分極される電圧をゲート電極１７０に印加するように構成することができ、印加電圧の大きさは、印加電圧の極性に対応する方法で、ゲート電極１７０に対向する領域における分極度、すなわち、第３の材料がどの部分で分極されるかを決定することができる。
【0091】
制御信号発生器１９０は、閾値電圧を正の値に設定するために、ゲート電極１７０と電荷ゾーン１６０との間に第１の電圧を印加するように構成することができる。更に、制御信号発生器は、閾値電圧を負の値に設定するために、ゲート電極１７０と電荷ゾーン１６０との間に第２の電圧を印加するように構成することができる。制御信号発生器１９０は、例えば、ゲート電極１７０とソース領域１７２又はドレイン領域１７４との間に第１の電圧を印加することができる。
【0092】
図１～図５によるＨＥＭＴ１００の実施例では、ＨＥＭＴの閾値電圧が高くなるように、第３の材料１３１の分極状態を設定することができる。結果として、ＨＥＭＴ１００は、例えば、有効状態又は無効状態を安定して維持することを意図した論理構成要素に適し得る。実施例では、閾値電圧は、ＨＥＭＴ１００がプログラマブルロジック構成要素に適し得るように、第３の材料１３１の分極状態を正又は負の値に設定することによって設定することができる。更に、ＨＥＭＴ１００は、入力電圧と出力電圧との関係に応じてそれらの機能（例えば、バック・アンド・ブースト）を変更する電流変換器の実装を可能にすることができる。他の実施例では、ＨＥＭＴ１００は、出力電力に応じて構成要素を接続又は切断することができる電流変換器に使用することができる。
【0093】
図６は、一実施形態によるＨＥＭＴ１００の制御方法６００のフロー図である。本方法は、第３の材料１３１の分極方向及び／又は分極度を設定するために、電荷ゾーン１６０を通る伝導チャネルを有効状態と無効状態との間で変化させるＨＥＭＴ１００の閾値電圧を設定するために、ゲート電極に電圧を印加する工程６０１を含む。
【0094】
図７は、一実施形態によるＨＥＭＴ１００の制御方法７００のフロー図である。本方法は、電荷ゾーン１６０を通る伝導チャネルを有効状態と無効状態との間で変化させるＨＥＭＴ１００の閾値電圧が正であるように、第３の材料１３１の分極方向及び／又は分極度を設定するために、ゲート電極１７０に電圧を印加する工程７０１を含む。
【0095】
例えば、ゲート電極１７０への電圧の印加６０１、７０１は、方法６００又は７００において、ゲート電極１７０と電荷ゾーン１６０との間に電圧を印加することによって、又はゲート電極１７０と第４の層２４０との間に電圧を印加することによって行うことができる。
【0096】
【0097】
図８は、一実施形態によるＨＥＭＴの製造方法１０のフロー図である。方法１０は、第１の層１１０、第２の層１２０、及び第３の層１３０を含む層構造を提供する工程１１を含む。第３の層１３０は、強誘電性材料１３１を含む。層構造の提供は、第２の層１２０が第１の層１１０と第３の層１３０との間に配置され、第２の層１２０の主面１２２が第１の層１１０の主面１１２に対向して配置されるように行われる。更に、層構造の提供は、電荷ゾーン１６０が第１の層１１０の主面１１２に沿って形成されるように行われる。これは、例えば、図１～図５を参照して説明したように、第１の層１１０及び第２の層１２０の材料を選択することによって達成することができる。方法１０は、ソース接点１７２及びドレイン接点１７４の適用を含む工程１２を更に含む。工程１２は、例えば金属を堆積させることによって行うことができる。ソース接点１７２及びドレイン接点１７４の適用は、電荷ゾーン１６０がソース接点とドレイン接点との間に電気的に直列に配置されるように行われる。更に、方法１０は、ソース接点及びドレイン接点と共に層構造の温度処理、例えばアニーリングを含む工程１３を含む。
【0098】
温度処理によって、ソース接点１７２と電荷ゾーン１６０との間、及びドレイン接点３７４と電荷ゾーン１６０との間のオーミック接触を達成又は改善することができる。例えば、温度処理は、層構造をソース接点及びドレイン接点と共に７００℃を超える温度に曝露することを含むことができる。
【0099】
第１の層１１０、第２の層１２０、第３の層１３０は、図１～図５を参照して説明した方法１０によって製造することができる。特に、第１の層１１０、第２の層１２０、第３の層１３０は、図１～図５を参照して説明した材料を含むことができる。特に、第３の層１３０は、強誘電性の第３の材料１３１を含むことができる。図１～図５を参照して説明した強誘電性の第３の材料１３１は、特に温度安定性が高いため、第３の層１３０を損傷することなく、第３の層１３０を含む層構造を用いて工程１３を実施することができる。これは、特に、第３の材料１３０が、ＡｌＳｃＮなどの遷移金属を含むＩＩＩ族窒化化合物である場合に当てはまる。
【0100】
層構造を提供する工程１１は、任意選択的に、第１の層１１０及び第２の層１２０を含む層構造を提供する工程、更に第３の層１３０を塗布する更なる工程を含むことができる。更に、工程１１は、第３の層１３０の構造化を含むことができる。例えば、ソース接点１７２及びドレイン接点１７４が第２の層に隣接して配置されるように工程１２におけるソース接点１７２及びドレイン接点１７４の適用を行うことができるように、第３の層の領域を除去することができる。他の実施例では、工程１１はまた、ソース接点１７２及びドレイン接点１７４が第１の層１１０に隣接して配置されるように工程１２におけるソース接点１７２及びドレイン接点１７４の適用を行うことができるように、第２の層の部分的な除去を含むことができる。
【0101】
実施例では、工程１２は、ゲート電極１７０の適用を更に含む。
【0102】
【0103】
実施例では、工程１１は、基板上又は基板上の格子調整層上に第１の層１１０を塗布又は堆積することを含む。更に、工程１１は、第２の層１２０を第１の層１１０上に塗布又は堆積させることを含むことができる。あるいは、工程１１は、例えば図１～図５を参照して説明したように、中間層２１５を第１の層１１０上に塗布又は堆積させる工程と、第２の層１２０を中間層２１５上に塗布又は堆積させる工程とを含むことができる。更に、工程１１は、第３の層１３０を第２の層上に塗布又は堆積させることを含むことができる。あるいは、工程１１は、対応する方法で、絶縁層２５０及び／又は第４の層２４０を第２の層１２０上に塗布又は堆積させる工程と、第３の層１３０を絶縁層２５０又は第４の層２４０上に塗布又は堆積させる工程とを含むことができる。工程１１は、中間層２１５、第４の層２４０、及び絶縁層２５０が、図１～図５を参照して説明したような特性及び配置を満たすように行うことができる。
【0104】
方法１０の実施例では、工程１１は、図９を参照して説明した方法２０によって行うことができる。
【0105】
図９は、一実施形態によるＨＥＭＴの製造方法２０のフロー図である。方法２０は、第１の層１１０及び第２の層１２０のエピタキシャル塗布を含む工程２１を含む。工程２１は、第２の層１２０の主面１２２が第１の層１１０の主面１１２に対向して配置されるように行われる。更に、工程２１は、電荷ゾーン１６０が第１の層１１０の主面１１２に沿って形成されるように行われる。これは、図１～図５を参照して説明したように、第１の層１１０及び第２の層１２０の材料を選択することによって達成することができる。更に、方法２０は、強誘電性の第３の層１３０のエピタキシャル塗布を含む工程２２を含む。工程２２は、第２の層１２０が第１の層１１０と第３の層１３０との間に配置されるように行われる。工程２１及び工程２０は、第１の層１１０がウルツ鉱型結晶構造を有する第１の材料１１１を含み、第２の層１２０がウルツ鉱型結晶構造を有する第２の材料１２１を含み、第３の層１３０がウルツ鉱型結晶構造を有する強誘電性の第３の材料１３１を含むように行われる。結果として、第１の層１１０、第２の層１２０及び第３の層１３０を含む層構造は、特に良好にエピタキシャルに堆積させることができる。
【0106】
方法２０は、第１の層１１０、第２の層１２０、第３の層１３０を、これらが図１～図５を参照して説明したように配置されるように適用することを含むことができる。特に、第１の層１１０、第２の層１２０、第３の層１３０は、図１～図５を参照して説明した材料を含むことができる。
【0107】
実施例では、方法２０は、方法１０の工程１１に関して、第１の層１１０、第２の層１２０、第３の層１２０を堆積する工程を含む。方法２０は、方法１０の工程１１を参照して説明したように、中間層２１５、第４の層２４０、及び絶縁層２５０のうちの１つ以上の堆積を更に含むことができ、それぞれの層の堆積はエピタキシャルに行われる。これらの実施例では、有利には、工程１１に関して言及された全ての層は、ウルツ鉱型結晶構造を有することができる。
【0108】
特に、図８の方法１０及び図９の方法２０は、図１～図５を参照して説明したように、第１の層１１０が第１の材料１１１を含み、第２の層１２０が第２の材料１２１を含み、第３の層１３０が第３の材料１３１を含むように実行することができる。例えば、第１の材料１１１及び第２の材料１２１の組合せは、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ、ＡｌＳｃＮ／ＧａＮ、ＡｌＮ／ＧａＮ及びＡｌＳｃＮ／ＧａＳｃＮのいずれかとすることができる。第３の材料は、窒化化合物であってもよく、又は亜鉛を含む酸化化合物からなってもよい。第３の材料は、１つ以上のＩＩＩ族元素、例えば、Ａｌ、Ｇａ又はＩｎのうちの１つ以上を含むことができる。更に、第３の材料１３１は、遷移金属、例えばＳｃ、Ｍｇ、Ｎｂ、Ｔｉ、又はＹを含むことができる。例えば、第３の材料１３１は、１つ以上のＩＩＩ族元素及び遷移金属を含むことができ、画分は、任意選択的に、図１を参照して説明したように選択することができる。方法１０、２０が第４の層２４０を堆積させることを含む場合、これは、第４の層が導電性材料、例えばＴｉＮ、ＮｂＮ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｉ、及びＭｏのうちの１つを含むように実行することができる。更に、第４の層は、エピタキシャルに堆積することもできる。方法１０、２０が中間層２１５を堆積させることを含む場合、これは、中間層２１５が窒化化合物、例えば、ＡｌＮ及びＧａＮのうちの一方からなる材料を含むように実行することができる。
【0109】
本開示のいくつかの態様は、デバイスに関連する特徴として説明されているが、そのような説明は、対応する方法特徴の説明と考えることもできることは明らかである。いくつかの態様は、方法に関連する特徴として説明されているが、そのような説明は、デバイスの対応する特徴又はデバイスの機能の説明と考えることもできることは明らかである。
【0110】
上記の詳細な説明では、本開示を合理的に説明するために、異なる特徴が実施例にまとめられている場合がある。この種の開示は、特許請求される実施例が各請求項で明示的に指定されているよりも多くの特徴を含むことを意図していると解釈されることを意図していない。むしろ、添付の特許請求の範囲から以下のように、主題は、単一の開示された実施例の全ての特徴よりも少ない数で作成することができる。したがって、以下の特許請求の範囲は、詳細な説明に組み込まれ、全ての特許請求の範囲は、個別の別個の実施例とすることができる。各請求項は個々の別個の実施例とすることができるが、請求項の従属請求項は１つ以上の他の請求項との特定の組合せを参照しているものの、他の実施例はまた、従属請求項と他の従属請求項の主題との組合せ、又は各特徴と他の従属又は独立請求項との組合せも含むことに留意されたい。そのような組合せは、特定の組合せが意図されていないと述べられていない限り、含まれる。更に、１つの請求項の特徴と任意の他の独立請求項との組合せも、上記請求項が独立請求項に直接依存しない場合であっても含まれることが意図されている。
【0111】
上述の実施形態は、本開示の原理の例示を表すにすぎない。当然ながら、本明細書に記載の構成及び詳細の修正及び変形は、当業者には明らかである。したがって、本開示は、以下の特許請求の範囲の保護範囲によってのみ限定されるべきであり、実施形態の説明及び説明に基づいて本明細書に提示された特定の詳細によって限定されるべきではないことが意図される。
【0112】
参考文献
[Hao12] L.Z. Hao, J. Zhu, Y.J. Liu, X.W. Liao, S.L. Wang, J.J. Zhou, C. Kong, H.Z. Zeng, Y. Zhang, W.L. Zhang, Y.R. Li, Normally-off characteristics of LiNbO3/AlGaN/GaN ferroelectric field-effect transistor, Thin Solid Films, 520 (2012) 6313-6317
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【0113】
[Zhu18] Jiejie Zhu, Lixiang Chen, Jie Jiang, Xiaoli Lu, Ling Yang, Bin Hou, Min Liao, Yichun Zhou, Xiaohua Ma, and Yue Hao, Ferroelectric Gate AlGaN/GaN E-Mode HEMTs With High Transport and Sub-Threshold Performance, IEEE Electron Device Letters, 39 (2018) 79-82
【0114】
[Li19] Guanjie Li, Xiaomin Li, Junliang Zhao, Qiuxiang Zhu and Yongbo Chen, Strong interfacial coupling effects of ferroelectric polarization with two-dimensional electron gas in BaTiO3/MgO/AlGaN/GaN/Si heterostructures, Journal of Materials Chemistry C, 7 (2019) 5677-5685
【0115】
[Hao17] Yue Hao; Lixiang Chen; Xiaohua Ma; Jiejie Zhu; Jielong Liu, Doped HfO2 ferroelectric gate dielectric-based AlGaN/GaN enhancement mode HEMT (high electron mobility transistor) device and manufacturing method therefor; CN107316901A, 03.11.2017
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【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【手続補正書】
【提出日】2023-04-26
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
高電子移動度トランジスタＨＥＭＴ（１００）であって、第１の窒化化合物からなる第１の材料（１１１）を含む第１の層（１１０）であって、前記第１の窒化化合物がＩＩＩ族元素を含む、第１の層と、
第２の窒化化合物からなる第２の材料（１２１）を含む第２の層（１２０）であって、前記第２の窒化化合物がＩＩＩ族元素を含む、第２の層と、
前記第２の層（１２０）の主面（１２２）が、電荷ゾーン（１６０）が前記第１の層（１１０）の主面（１１２）に沿って形成され、前記ＨＥＭＴの有効状態において伝導チャネルを提供するように、前記第１の層（１１０）の前記主面（１１２）に対向して配置され、
少なくとも領域において、前記第２の層（１２０）に対向して配置されるゲート電極（１７０）であって、前記第２の層（１２０）が前記第１の層（１１０）と前記ゲート電極との間に配置される、ゲート電極と、
前記ゲート電極（１７０）と前記第２の層（１２０）との間に配置された第３の層（１３０）であって、第３の窒化化合物からなる強誘電性の第３の材料（１３１）、又は亜鉛を含有する酸化化合物からなる強誘電性の第３の材料（１３１）を含み、前記第３の材料（１３１）が遷移金属を含有する、第３の層（１３０）と、を備えるＨＥＭＴ。
【請求項2】
前記第３の材料（１３１）が、ウルツ鉱型結晶構造を有する、請求項１に記載のＨＥＭＴ（１００）。
【請求項3】
前記第１の材料（１１１）が、ウルツ鉱型結晶構造を有し、前記第２の材料（１２１）が、ウルツ鉱型結晶構造を有する、請求項２に記載のＨＥＭＴ（１００）。
【請求項4】
前記第３の材料の保磁力が、前記第２の材料の保磁力よりも小さい、請求項３に記載のＨＥＭＴ（１００）。
【請求項5】
前記第３の材料（１３１）が、前記第３の窒化化合物を含み、前記第３の窒化化合物が、１つ以上のＩＩＩ族元素を含む、請求項１～４のいずれか一項に記載のＨＥＭＴ（１００）。
【請求項6】
前記第３の窒化化合物の前記１つ以上のＩＩＩ族元素が、Ａｌ、Ｇａ、及びＩｎのうちの１つ以上である、請求項５に記載のＨＥＭＴ（１００）。
【請求項7】
前記第３の層中の前記遷移金属の割合が、前記第２の層中の遷移金属の割合よりも高い、請求項１～６のいずれか一項に記載のＨＥＭＴ（１００）。
【請求項8】
前記第３の材料（１３１）が、引張応力を有する、請求項１～７のいずれか一項に記載のＨＥＭＴ（１００）。
【請求項9】
前記遷移金属が、Ｓｃ、Ｍｇ、Ｎｂ、Ｔｉ、又はＹである、請求項１～８のいずれか一項に記載のＨＥＭＴ（１００）。
【請求項10】
前記第３の材料（１３１）が前記第３の窒化化合物からなり、前記第３の窒化化合物が１つ以上のＩＩＩ族元素を含み、前記第３の材料（１３１）中の前記遷移金属の化学量論的割合が、前記第３の材料（１３１）中の前記１つ以上のＩＩＩ族元素及び前記遷移金属の総化学量論的割合の１０％～５０％である、又は前記第３の材料（１３１）が前記酸化化合物からなり、前記第３の材料（１３１）中の前記遷移金属の化学量論的割合が、前記第３の材料（１３１）中の前記亜鉛及び前記遷移金属の総化学量論的割合の１０％～５０％である、請求項１～９のいずれか一項に記載のＨＥＭＴ（１００）。
【請求項11】
前記ゲート電極（１７０）及び前記第３の層（１３０）が、領域において、前記第２の層（１２０）に対向するように配置されたゲート構造（３７５）の一部である、請求項１～１０のいずれか一項に記載のＨＥＭＴ（１００）。
【請求項12】
前記第２の層（１２０）と前記第３の層（１３０）との間に配置された第４の層（２４０）を更に備え、前記第４の層（２４０）が導電性材料を含む、請求項１～１１のいずれか一項に記載のＨＥＭＴ（１００）。
【請求項13】
前記第４の層（２４０）の前記導電性材料が、ＴｉＮ、ＮｂＮ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｉ、及びＭｏのうちの１つである、請求項１２に記載のＨＥＭＴ（１００）。
【請求項14】
前記第４の層（２４０）と前記電荷ゾーン（１６０）との間の静電容量が、前記第４の層（２４０）と前記ゲート電極（１７０）との間の静電容量よりも大きい、請求項１２又は１３に記載のＨＥＭＴ（１００）。
【請求項15】
前記ゲート電極（１７０）が、前記第１の層の前記主面に平行な平面に対して、前記第４の層（２４０）よりも小さい表面を有する、請求項１２～１４のいずれか一項に記載のＨＥＭＴ（１００）。
【請求項16】
前記第２の層（１２０）と前記第３の層（１３０）との間、又は前記第２の層（１２０）と前記第４の層（２４０）との間に配置された絶縁層（２５０）を更に備え、前記絶縁層（２５０）が導電性材料を含む、請求項１～１５のいずれか一項に記載のＨＥＭＴ（１００）。
【請求項17】
前記ゲート構造が、前記第２の層（１２０）と前記第３の層（１３０）との間に配置された第４の層（２４０）を更に含み、前記第４の層（２４０）が導電性の第４の材料を含む、請求項１１に記載のＨＥＭＴ（１００）。
【請求項18】
前記第４の層（２４０）の前記導電性材料が、ＴｉＮ、ＮｂＮ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｉ、及びＭｏのうちの１つである、請求項１７に記載のＨＥＭＴ（１００）。
【請求項19】
前記ゲート構造が、前記第２の層（１２０）と前記第３の層（１３０）との間、又は前記第２の層（１２０）と前記第４の層（２４０）との間に配置された絶縁層（２５０）を更に備え、前記絶縁層（２５０）が導電性材料を含む、請求項１１、１７、又は１８のいずれか一項に記載のＨＥＭＴ（１００）。
【請求項20】
前記第１の材料（１１１）と前記第２の材料（１２１）との組合せが、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ、ＡｌＳｃＮ／ＧａＮ、ＡｌＮ／ＧａＮ、及びＡｌＳｃＮ／ＧａＳｃＮのうちの１つである、請求項１～１９のいずれか一項に記載のＨＥＭＴ（１００）。
【請求項21】
前記第１の層（１１０）と前記第２の層（１２０）との間に配置され、窒化化合物からなる材料を含む中間層（２１５）を含む、請求項１～２０のいずれか一項に記載のＨＥＭＴ（１００）。
【請求項22】
前記中間層（２１５）の材料が、ＡｌＮ又はＧａＮのいずれかである、請求項２１に記載のＨＥＭＴ（１００）。
【請求項23】
前記第３の材料（１３１）の分極状態が、前記ゲート電極（１７０）に電圧を印加することによって設定することができ、前記電荷ゾーン（１６０）を通る伝導チャネルを有効状態と無効状態との間で変化させる前記ＨＥＭＴの閾値電圧が、前記第３の材料（１３１）の前記分極状態に依存する、請求項１～２２のいずれか一項に記載のＨＥＭＴ（１００）。
【請求項24】
前記第３の材料（１３１）が、第１の分極状態を有し、前記閾値電圧が、前記第３の材料（１３１）が前記第１の分極状態にあるときに正である、請求項２３に記載のＨＥＭＴ（１００）。
【請求項25】
前記第３の材料（１３１）が第２の分極状態を更に有し、前記閾値電圧が、前記第３の材料（１３１）が前記第２の分極状態にあるときに負である、請求項２４に記載のＨＥＭＴ（１００）。
【請求項26】
前記ゲート電極（１７０）が、ゲート電極領域（４７１）に対向する前記第３の層（１３０）の第１の領域（４３３）内の前記第３の材料（１３１）の前記分極状態が、前記ゲート電極（１７０）に電圧を印加することによって設定され得るように、前記ゲート電極領域（４７１）内に配置され、前記第３の層（１３０）が、前記第１の領域（４３３）とは異なる第２の領域（４３５）を更に含み、前記第３の層（１３０）の前記第２の領域の前記第３の材料（１３１）が、前記第２の領域に対向する前記電荷ゾーン（１６０）の電荷ゾーン領域（４６５）が導電状態にある分極状態にある、請求項２３～２５のいずれか一項に記載のＨＥＭＴ（１００）。
【請求項27】
ソース領域（１７２）及びドレイン領域（１７４）を更に備え、前記電荷ゾーン（１６０）が、前記ソース領域（１７２）と前記ドレイン領域（１７４）との間に電気的に直列に配置される、請求項１～２６のいずれか一項に記載のＨＥＭＴ（１００）。
【請求項28】
前記第１の材料（１１１）及び前記第２の材料（１２１）が、半導電性材料であり、そのバンドギャップが、前記電荷ゾーン（１６０）を提供するために、前記第１の層の前記主面に垂直な電位曲線における極値が前記第１の層の前記主面（１１２）に沿って形成されるように、互いに対する比を有する、請求項１～２７のいずれか一項に記載のＨＥＭＴ（１００）。
【請求項29】
請求項１～２８のいずれか一項に記載のＨＥＭＴ（１００）を備え、制御信号発生器（１９０）を更に備え、前記制御信号発生器（１９０）が、前記ゲート電極（１７０）に対向する前記第３の層（１３０）の領域内に分極方向を設定するために、前記ゲート電極（１７０）に電圧を印加するように構成されている、トランジスタアセンブリ。
【請求項30】
前記制御信号発生器（１９０）が、前記ＨＥＭＴ（１００）の閾値電圧を設定するために、前記電圧を前記ゲート電極（１７０）に印加することによって、前記ゲート電極（１７０）に対向する前記第３の層（１３０）の前記領域内に分極度を設定するように構成されている、請求項２９に記載のトランジスタアセンブリ。
【請求項31】
前記制御信号発生器（１９０）が、前記閾値電圧を正の値に設定するために、前記ゲート電極（１７０）と前記電荷ゾーン（１６０）との間に第１の電圧を印加し、前記閾値電圧を負の値に設定するために、前記ゲート電極（１７０）と前記電荷ゾーン（１６０）との間に第２の電圧を印加するように構成されている、請求項３０に記載のトランジスタアセンブリ。
【請求項32】
請求項１～２８のいずれか１項に記載のＨＥＭＴ（１００）の制御方法であって、前記電荷ゾーン（１６０）を通る伝導チャネルを有効状態と無効状態との間で変化させる前記ＨＥＭＴ（１００）の閾値電圧を設定するために、前記第３の材料（１３１）の分極方向及び／又は分極度を設定するために前記ゲート電極に電圧を印加する工程、を含む方法。
【請求項33】
前記第３の材料（１３１）の前記分極方向及び／又は前記分極度を設定する工程が、前記電荷ゾーン（１６０）を通る伝導チャネルを有効状態と無効状態との間で変化させる前記ＨＥＭＴの閾値電圧が正であるように行われる、請求項３２に記載の方法。
【請求項34】
ＨＥＭＴ（１００）の製造方法（１０）であって、第１の層（１１０）と、第２の層（１２０）と、第３の層（１３０）であって、第３の窒化化合物からなる強誘電性の第３の材料（１３１）、又は亜鉛を含有し第３の窒化化合物を含む、酸化化合物からなる強誘電性の第３の材料（１３１）、若しくは亜鉛を含有し酸化化合物からなる強誘電性の第３の材料（１３１）を含む第３の層（１３０）とを含む層構造を提供する工程（１１）であって、前記第３の材料（１３１）が遷移金属を含有し、
前記第２の層（１２０）が、前記第１の層（１１０）と前記第３の層（１３０）との間に配置され、
前記第２の層（１２０）の主面（１２２）が、前記第１の層（１１０）の主面（１１２）と対向して配置され、
電荷ゾーン（１６０）が、前記第１の層（１１０）の前記主面（１１２）に沿って形成され、前記ＨＥＭＴの有効状態において伝導チャネルを提供する、工程と、
ソース接点及びドレイン接点を適用する工程（１２）であって、前記電荷ゾーンが前記ソース接点と前記ドレイン接点との間に電気的に直列に配置される、工程と、
前記ソース接点及び前記ドレイン接点と共に前記層構造を温度処理する工程（１３）と、を含む方法。
【請求項35】
前記層構造を提供する前記工程（１１）が、前記第２の層（１２０）の前記主面（１２２）が前記第１の層（１１０）の主面（１１２）に対向して配置され、前記電荷ゾーン（１６０）が前記第１の層（１１０）の前記主面（１１２）に沿って形成され、前記第１の層（１１０）がウルツ鉱型結晶構造を有する第１の材料（１１１）を含み、前記第２の層（１２０）がウルツ鉱型結晶構造を有する第２の材料（１２１）を含むように、前記第１の層（１１０）及び前記第２の層（１２０）をエピタキシャルに塗布する工程（２１）と、
前記第２の層（１２０）が前記第１の層（１１０）と前記第３の層（１３０）との間に配置され、前記第３の層（１３０）がウルツ鉱型結晶構造を有する前記強誘電性の第３の材料（１３１）を含むように、前記強誘電性の第３の層をエピタキシャルに塗布する工程（２２）とを含む、請求項３４に記載の方法（１０）。
【請求項36】
ＨＥＭＴ（１００）の製造方法（２０）であって、第１の層（１１０）及び第２の層（１２０）をエピタキシャルに塗布する工程（２１）であって、前記第２の層（１２０）の主面（１２２）が前記第１の層（１１０）の主面（１１２）に対向して配置され、電荷ゾーン（１６０）が前記第１の層（１１０）の前記主面（１１２）に沿って形成され、前記ＨＥＭＴの有効状態において伝導チャネルを提供し、前記第１の層（１１０）がウルツ鉱型結晶構造を有する第１の材料（１１１）を含み、前記第２の層（１２０）がウルツ鉱型結晶構造を有する第２の材料（１２１）を含む、ように塗布する工程と、
強誘電性の第３の層（１３０）をエピタキシャルに塗布する工程（２２）であって、前記第２の層（１２０）が前記第１の層（１１０）と前記第３の層（１３０）との間に配置され、前記第３の層（１３０）がウルツ鉱型結晶構造を有する強誘電性の第３の材料（１３１）を含み、
前記強誘電性の第３の材料（１３１）が、亜鉛を含有する第３の窒化化合物又は酸化化合物からなり、前記第３の材料（１３１）が、遷移金属を含有する、ように塗布する工程と、を含む方法。
【手続補正書】
【提出日】2023-10-20
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施例は、高い電子移動度を有するトランジスタ（Ｈｉｇｈ－Ｅｌｅｃｔｒｏｎ－Ｍｏｂｉｌｉｔｙ－Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ（ＨＥＭＴ））に関する。更なる実施例は、トランジスタアセンブリに関する。更なる実施例は、ＨＥＭＴの制御方法に関する。更なる実施例は、ＨＥＭＴの製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
ＨＥＭＴ部品の構造は、典型的には、製造プロセス中に境界面に例えばＡｌＧａＮ／ＧａＮ構造を形成する二次元電子ガス（２ＤＥＧ）を有する。２つのＩＩＩ－Ｎ系層の間の境界面における導電性２ＤＥＧの永続的な発展により、それに基づくＨＥＭＴは、ゲート電圧の追加の印加なしで永続的にオン状態（ノーマリーオン構造）にある。このことは、第１に、安全面（ゲート電圧供給源が故障した場合であっても、構成要素は常にオンである）の点での欠点を有し、更に、この技術に基づく集積論理ゲートの製造をより困難にする。
【0003】
しかしながら、例えばパワーエレクトロニクス回路での広範な使用のためには、上記ノーマリーオン構造とは対照的に、ノーマリーオフ構造が必要であり、その２ＤＥＧは、印加ゲート電圧なしで中断されるか、又は小さいカットオフ電流のみを伝導する。今日、この機能は、ショットキーゲート構造、リセスゲート構造、又はゲート下のフッ素イオン注入などの様々な代替手法によって追求されている。しかしながら、これらの変形例は全て、１Ｖ未満又は１Ｖに近い範囲の非常に低い閾値電圧Ｖｔｈしか有していない。より高い閾値電圧は、ｐドープＡｌＧａＮゲートによって達成することができる。しかしながら、この解決策には、ショットキー又はオーミック接点としてのゲート接点メタライゼーションの効果に応じて、高いゲート漏れ電流が発生する可能性があるという欠点がある。ショットキー接点が形成される場合、ｐ－ＧａＮをもたらす空乏ゾーンは、ゲート電位にわたる２ＤＥＧの直接制御を低下させる。
【0004】
あるいは、ＩＩＩ－Ｎヘテロ構造ベースのノーマリーオフＨＥＭＴは、強誘電（ＦＥ）材料の使用によっても達成することができる。例えば貯蔵用途のためのＦＥ電界効果トランジスタ（ＦＥ－ＦＥＴ）の概念と同様に、ある種の可変電圧オフセットは、強誘電性材料内でシフトされ得る電荷によってゲートスタック内に統合することができる。その結果、ゲート電圧を印加しなくても、閾値電圧が０Ｖを超えてトランジスタが非導電状態となるようにゲート電圧をシフトさせることができる。この手法は、これまで、確立された酸化物ベースの強誘電体、例えばＬｉＮｂＯ３、Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ３、ＢａＴｉＯ３、ＨｆＯ２化合物［Ｈａｏ１２、Ｚｈｕ１８、Ｌｉ１９、Ｈａｏ１７、Ｙａｎ１７、Ｔｅｏ１９］の場合に実施されていた。例えば、米国特許出願公開第２０１９／０１１５４４５号明細書は、より高いキャップ層厚にもかかわらず高い限界周波数を達成するために、ｔｃａｐ／２＊α＊εｃａｐの最大厚を有する強誘電性材料をゲートスタックに使用することを記載している。中国特許出願公開第１０７３１６９０１号明細書には、ＦＥゲートとしてＨｆＯ２を含むＦＥ－ＨＥＭＴが記載されている。中国特許出願公開第１０７３６９７０４号明細書は、ＡｌＮ又はＡｌ２Ｏ３からなるゲート誘電体と、１つの強誘電性ＨｆＺｒＯ層とを有する多層ゲート構造を含むＦＥ－ＨＥＭＴを記載している。中国特許第１０２２９９５７６号明細書は、代替ＦＥ材料としてＬｉＮｂＯ３又はＬｉＴａＯ３を使用する。台湾特許出願公開第２０１９０６１６３号公報は、２ＤＥＧを遮断し、強誘電体を含むゲート電極を含む構成要素を記載しており、電極はバックゲートとして動作することができる。特開２０１０－２０６０４８号公報も、酸化物ＦＥゲートを備えるＨＥＭＴを記載している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】米国特許出願公開第２０１９／０１１５４４５号明細書
【特許文献2】中国特許出願公開第１０７３１６９０１号明細書
【特許文献3】中国特許出願公開第１０７３６９７０４号明細書
【特許文献4】中国特許第１０２２９９５７６号明細書
【特許文献5】台湾特許出願公開第２０１９０６１６３号公報
【特許文献6】特開２０１０‐２０６０４８号公報
【発明の概要】
【0006】
閾値電圧を広い範囲で安定して設定できるＨＥＭＴが望ましい。
本発明の一実施例は、第１の層及び第２の層を備えるＨＥＭＴを提供する。第１の層は、第１の窒化化合物からなる第１の材料を含む。第１の窒化化合物は、ＩＩＩ族元素を含む。第２の層は、第２の窒化化合物からなる第２の材料を含む。第２の窒化化合物は、ＩＩＩ族元素を含む。第２の層の主面は、第２の層の主面に沿って電荷ゾーンが形成されるように、第１の層の主面に対向して配置される。電荷ゾーンは、例えば、第１の層の主面に垂直な電位プロファイルの局所極値の周りの領域を示すことができる。例えば、電荷ゾーンは、ＨＥＭＴの有効状態において伝導チャネルを提供することができ、ＨＥＭＴの無効状態において空乏化することができる。ＨＥＭＴは、第２の層が第１の層とゲート電極との間に配置されるように、少なくとも領域において、第２の層に対向して配置されるゲート電極を更に備える。更に、ＨＥＭＴは、ゲート電極と第２の層との間に配置された第３の層を備える。第３の層は、第３の窒化化合物又は亜鉛を含有する酸化化合物からなる強誘電性の第３の材料を含む。
本発明の一実施例は、第１の層及び第２の層を備えるＨＥＭＴを提供する。第１の層は、第１の窒化化合物からなる第１の材料を含む。第１の窒化化合物は、ＩＩＩ族元素を含む。第２の層は、第２の窒化化合物からなる第２の材料を含む。第２の窒化化合物は、ＩＩＩ族元素を含む。第２の層の主面は、第２の層の主面に沿って電荷ゾーンが形成されるように、第１の層の主面に対向して配置される。電荷ゾーンは、例えば、第１の層の主面に垂直な電位プロファイルの局所極値の周りの領域を示すことができる。例えば、電荷ゾーンは、ＨＥＭＴの有効状態において伝導チャネルを提供することができ、ＨＥＭＴの無効状態において空乏化することができる。ＨＥＭＴは、第２の層が第１の層とゲート電極との間に配置されるように、少なくとも領域において、第２の層に対向して配置されるゲート電極を更に備える。更に、ＨＥＭＴは、ゲート電極と第２の層との間に配置された第３の層を備える。第３の層は、第３の窒化化合物又は亜鉛を含有する酸化化合物からなる強誘電性の第３の材料を含む。
【0007】
窒化化合物又は亜鉛を含む酸化化合物からなる強誘電性材料は、特に高い分極を有することができる。本発明の実施例は、これらの材料がそれによりＨＥＭＴの実装に特によく適しているという知見に基づく。第２の層に対する第３の層の配置は、高い分極のために、閾値電圧ＨＥＭＴを大きくシフトさせることができる。これにより、より大きな閾値電圧を有するＨＥＭＴが実現でき、より大きな動作領域が可能となる。特に、正の閾値電圧、更には大きな正の閾値電圧も可能であり、それにより、ゲート電極に電圧が印加されていないときにＨＥＭＴが無効化され、この状態では漏れ電流が特に小さい。酸化物強誘電体は、１～４０μＣ／ｃｍ２の範囲の残留分極を有することが多いが、本発明に従って使用される材料の場合、この値は最大１００μＣ／ｃｍ２であり得る。より大きな分極は、より大きなオフセットがゲート電極に印加されるという利点を有し、したがって、高い外部電流によってのみオン状態を達成することができるので、構成要素はより良好に閉じられ、より安全でもある。本発明者らは更に、強誘電性窒化化合物又は酸化物成分又は酸化物における分極が特に安定であることを見出した。例えば、これらの材料は、高いキュリー温度を有する。その結果、動作温度が高い場合であっても、第３の層の分極が安定する。これらの材料の最大使用温度は、１０００℃を超えることができ、したがって、酸化物強誘電体の最高使用温度（最大３５０℃）よりも大幅に高い。したがって、本発明によるＨＥＭＴは、例えば、電流変換器などのパワーエレクトロニクス部品に特に適している。高温安定性はまた、例えばゲートファーストプロセスによるＨＥＭＴの製造プロセスの選択において高度の柔軟性を可能にする。更に、ゲート電極又はＦＥ第３層を表面側から加工するプロセスによってＨＥＭＴを製造することを可能にし得る。更に、本発明に従って使用される強誘電性材料は、純粋に焦電性材料に基づくことができ、したがって優れた分極安定性、したがって例えば高い長期安定性を有する。これにより、分極が設定された後にトランジスタが意図せずにその初期状態に戻り、したがって、例えば張力状態から導電状態に変化することを防止することができる。特に、強誘電性窒化化合物又は酸化物－亜鉛化合物は、酸化物強誘電体としてより高い使用温度及び高い長期安定性を有するが、それらは同時に、製造のために比較的低い温度バジェットを必要とする。第３の材料が第３の窒化化合物からなる特定の実施形態では、酸化物材料を含むＨＥＭＴと比較して、酸化物材料とＩＩＩ－Ｎ構造との酸化物境界面への反応を防止することができるという利点を有し、これは強誘電体の長期安定性及びヘテロ構造のトランジスタ特性にプラスの効果を有する。
【0008】
実施例では、第３の材料は、ウルツ鉱型結晶構造を有する。第３の材料としてウルツ鉱型結晶構造を有する材料が選択されるため、第２の層において、第１の層と組み合わせて第３の層を特に好都合に製造することができる。例えば、第３の材料としてウルツ鉱型構造を有する材料（ＩＩＩ－Ｎ半導体又はＺｎＯなど）を使用することにより、第１の層、第２の層、及び強誘電性の第３の層からなる層列をエピタキシャルに堆積する（例えば、互いに堆積する）ことが可能になり、それにより、ゲート構造の強誘電性部分において、例えば欠陥構造密度に関して特に良好な材料特性を達成する。これにより、例えば、欠陥が特に少ない第２の層と第３の層との境界層を得ることができる。第１、第２、及び第３の層をエピタキシャル堆積させる可能性は、簡易な製造プロセスを更に可能にする。
【0009】
第３の材料が第３の窒化化合物を含む実施例では、第３の窒化化合物は１つ以上のＩＩＩ族元素を含む。ＩＩＩ族窒化化合物は、バンドギャップが大きい半導体材料であることが多く、その結果、ＨＥＭＴを特に低損失に構成することができる。更に、ＩＩＩ族窒化化合物は、高い分極度を有することができる。多くのＩＩＩ族窒化物はウルツ鉱型結晶構造を有するため、ＩＩＩ族窒化物はウルツ鉱型結晶構造の利点と大きなバンドギャップ及び高い分極の利点とを組み合わせることができる。
【0010】
実施例では、第３の窒化化合物の１つ以上のＩＩＩ族元素は、Ａｌ、Ｇａ、又はＩｎのうちの１つ以上である。これらのＩＩＩ族窒化化合物は、高い分極度を有することができる。例えば、第３の窒化化合物は、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、ＡｌＧａ、ＩｎＧａ、又はＩｎＡｌを含む。
【0011】
実施例では、第３の材料は、遷移金属を含む。したがって、実施例では、第３の窒化化合物又は酸化物－亜鉛化合物は、遷移金属を含む。本発明者らは、遷移金属を含む材料、特にウルツ鉱型構造を有する材料が、遷移金属を含まない対応する材料よりも低い保磁力を有する傾向があることを見出した。特に、遷移金属を含む材料では、保磁力が破壊電界強度未満であり得、それにより、これらの材料は強誘電性であり得る。例えば、遷移金属を含む窒化化合物は、それに対応する純粋な窒化化合物とは対照的に強誘電性であり得る。これは、特にＩＩＩ族窒化化合物に適用することができる。したがって、遷移金属を更に含むことができる、亜鉛を含む窒化化合物又は酸化化合物は、高分極と強誘電性の存在との間の良好な妥協点である。
【0012】
実施例では、遷移金属は、Ｓｃ、Ｎｂ、Ｔｉ又はＹである。これらの遷移金属を含む窒化化合物、特にこれらの遷移金属を含むＩＩＩ族窒化化合物は、強誘電性であってもよく、特に高い分極度及び／又は特に高い使用温度を有してもよい。例えば、第３の材料は、ＡｌＳｃＮ又はＧａＳｃＮである。ＡｌＳｃＮ又はＧａＳｃＮの分極量は、１００μＣ／ｃｍ２を超える値に達することができ、したがって、閾値電圧の特に効率的なシフトを可能にし得る。また、ＡｌＳｃＮやＧａＳｃＮの使用温度は、１０００℃を超えることができる。
【0013】
第３の材料が第３の窒化化合物からなり、第３の窒化化合物が１つ以上のＩＩＩ族元素を含む実施例では、第３の材料中の遷移金属の化学量論的割合は、第３の材料中の１つ以上のＩＩＩ族元素及び遷移金属の総化学量論的割合の１０％～５０％である。第３の材料が酸化化合物からなる実施例では、第３の材料中の遷移金属の化学量論的割合は、第３の材料中の亜鉛及び遷移金属の総化学量論的割合の１０％～５０％である。本発明者らは、このような割合の遷移金属が、第２の材料が強誘電性であり、高い分極度を有することを達成し得ることを見出した。分極は、遷移金属の割合が増加するにつれて減少することができ、５０％未満の割合が第２の材料の特に高い分極度を確保することができる。したがって、第１の層及び／又は第２の層の主面に沿った電荷ゾーンにおいて高い電荷担体密度を生成することが可能である。１０％超の割合は、第２の材料が強誘電性であることを確実にし得る。
【0014】
実施例では、ゲート電極及び第３の層は、領域において、第２の層に対向するように配置されたゲート構造の一部である。したがって、電荷ゾーン内の電荷担体密度は、ゲート構造の反対側の領域内の領域内で切り換えるか又は設定することができる。
【0015】
実施例では、ＨＥＭＴは、第２の層と第３の層との間に配置された第４の層を更に備える。第４の層は、導電性材料を含む。これにより、第３の層は、第４の層とゲート電極との間に配置される。したがって、第４の層とゲート電極との間の電圧を構築することにより、電界を生成することが可能になり、それによって、第３の層の第３の材料の分極、例えば分極方向及び／又は分極度、したがってＨＥＭＴの閾値電圧を設定することができる。ゲート電極と電荷ゾーンとの間に電界が印加される実施態様と比較して、第２の層と第３の層との間に導電層を有さずに第３の層の分極を設定するために、第４の層は、その表面上で、例えば、第２の層を通る電気的破壊を防止するために、第２の層及び第３の層の上に印加されるそれぞれの電界の関係を設定することができるという利点を提供する。更に、第４の層は、例えば、第３の層をより低い温度で堆積させることができるように、第３の層のためのより好都合な成長条件を作り出すことができる。
【0016】
実施例では、ＨＥＭＴは、第２の層と第３の層との間、又は第２の層と第４の層との間に配置された絶縁層を更に備える。絶縁層は、電気絶縁材料、例えばＡｌ２Ｏ３、ＧａＮ、又はＡｌＮを含む。絶縁層は、第２の層の主面に対向する第２の層の更なる主面を不動態化することができる。
【0017】
実施例では、ゲート構造は、第２の層と第３の層との間に配置された第４の層を含む。第４の層は、導電性の第４の材料を含む。第４の層の特性及び利点は、上述の第４の層に対応することができる。
【0018】
実施例では、ゲート構造は、第２の層と第３の層との間、又は第２の層と第４の層との間に配置された絶縁層を更に備える。絶縁層は、電気絶縁材料を含む。絶縁層の特性及び利点は、上述の絶縁層に対応することができる。
【0019】
実施例では、第４の材料は、ＴｉＮ、ＮｂＮ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｍｏのうちの１つである。
【0020】
実施例では、第１の材料と第２の材料との組合せは、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ、ＡｌＳｃＮ／ＧａＮ、ＡｌＮ／ＧａＮ、及びＡｌＳｃＮ／ＧａＳｃＮのうちの１つである。
【0021】
実施例では、ＨＥＭＴは、第１の層と第２の層との間に配置された中間層を含む。中間層は、窒化化合物からなる材料を含む。中間層は、例えば第１の層又は第１の層の主面において、第２の層から離間して配置されるように、電荷ゾーンの位置を変更することができる（電荷ゾーンはまた、中間層内に延在することができる）。第１の層は、実施例では、少なくとも大部分が第１の層内に位置するときに電荷ゾーンが特に高い導電率を有することができるように、エピタキシャルに製造されている可能性があるため、欠陥が特に少ない可能性がある。
【0022】
実施例において、中間層の材料は、ＡｌＮ又はＧａＮのいずれかである。
実施例では、ゲート電極に電圧を印加することにより、第３の材料の分極状態を設定することができる。これらの実施例では、電荷ゾーンを通る伝導チャネルが有効状態と無効状態との間で変化するＨＥＭＴの閾値電圧は、第３の材料の分極状態に依存する。閾値電圧は、例えば、ゲート電極と電荷ゾーンとの間に必要とされ、有効状態と無効状態との間で変化するように意図された電圧を指すことができる。有効状態と無効状態との間の変化は、例えば、電荷ゾーンの導電率又は抵抗によって特徴付けることができる。したがって、ゲート電極に電圧を印加することで、ＨＥＭＴの閾値電圧を設定することができる。
実施例では、ゲート電極に電圧を印加することにより、第３の材料の分極状態を設定することができる。これらの実施例では、電荷ゾーンを通る伝導チャネルが有効状態と無効状態との間で変化するＨＥＭＴの閾値電圧は、第３の材料の分極状態に依存する。閾値電圧は、例えば、ゲート電極と電荷ゾーンとの間に必要とされ、有効状態と無効状態との間で変化するように意図された電圧を指すことができる。有効状態と無効状態との間の変化は、例えば、電荷ゾーンの導電率又は抵抗によって特徴付けることができる。したがって、ゲート電極に電圧を印加することで、ＨＥＭＴの閾値電圧を設定することができる。
【0023】
実施例では、第３の材料は第１の分極状態を有する。第３の材料が第１の分極状態にあるとき、ＨＥＭＴの閾値電圧は正である。分極状態は、分極方向及び分極度によって特徴付けることができる。電荷ゾーンが２ＤＥＧを形成するように構成される実施例では、第１の分極状態の第３の材料の分極方向は、少なくとも部分的に、電荷ゾーンから外方を向くことができる。正の閾値電圧は、ゲート電極に電圧が印加されていないとき、すなわちＨＥＭＴがノーマリーオフ状態にあるときにＨＥＭＴが無効化されることを意味する。
【0024】
実施例では、第３の材料は第２の分極状態を更に有し、第３の材料が第２の分極状態にあるとき、閾値電圧は負である。実施例では、第２の分極状態の分極度は、第１の分極状態の分極度よりも小さくすることができる。更なる実施例では、第２の分極状態の分極方向は、少なくとも部分的に、電荷ゾーンに面することができる。負の閾値電圧は、ゲート電極に電圧が印加されていないとき、すなわちＨＥＭＴがノーマリーオン状態にあるときにＨＥＭＴが有効になることを意味する。したがって、第３の材料の分極状態を第１の分極状態と第２の分極状態との間に設定することにより、ＨＥＭＴをノーマリーオフ状態とノーマリーオン状態との間で変化させることができる。
【0025】
実施例では、ゲート電極は、ゲート電極領域内に配置され、それにより、ゲート電極領域に対向する第３の層の第１の領域内の第３の材料の分極状態は、ゲート電極に電圧を印加することによって設定することができる。第３の層は、第１の領域とは異なる第２の領域を更に含む。第３の層の第２の領域の第３の材料は、第２の領域に対向する電荷ゾーンの電荷ゾーン領域が導電状態にある分極状態にある。
【0026】
実施例では、ＨＥＭＴは、ソース領域及びドレイン領域を含む。電荷ゾーンは、ソース領域とドレイン領域との間に電気的に直列に配置される。例えば、ゲート電極に電圧を印加することによって、又は第３の材料の分極状態を設定することによって、電荷ゾーン内の電荷担体密度を設定することにより、ソース領域とドレイン領域との間の導電率を設定することが可能になる。
【0027】
本発明の更なる実施例は、制御信号発生器を更に備える、本発明によるＨＥＭＴを備えるトランジスタアセンブリを提供する。制御信号発生器は、第３の層のゲート電極と対向する領域に分極方向を設定するために、ゲート電極に電圧を印加するように構成されている。分極方向を設定することで、ＨＥＭＴの閾値電圧を効率的に設定することができる。例えば、ゲート電極に対向する領域の第３の層は、臨界値よりも大きい大きさの電圧を印加することによって、一方向に完全に又は実質的に完全に分極することができる。
【0028】
実施例では、制御信号発生器は、ＨＥＭＴの閾値電圧を設定するために、ゲート電極に電圧を印加することによって、ゲート電極に対向する第３の層の領域に分極度を設定するように構成される。例えば、分極度を設定するために、ゲート電極に対向する領域において第３の材料の不均一な分極をもたらす電圧を選択することができる。分極度を設定することで、閾値電圧を正確に設定することができる。
【0029】
実施例では、制御信号発生器は、閾値電圧を正の値に設定するために、ゲート電極と電荷ゾーンとの間に第１の電圧を印加し、閾値電圧を負の値に設定するために、ゲート電極と電荷ゾーンとの間に第２の電圧を印加するように構成される。
【0030】
本発明の更なる実施例は、本発明によるＨＥＭＴの制御方法を提供する。本方法は、第３の材料の分極方向及び／又は分極度を設定するために、電荷ゾーンを通る伝導チャネルを有効状態と無効状態との間で変化させるＨＥＭＴの閾値電圧を設定するために、ゲート電極に電圧を印加する工程を含む。これにより、ＨＥＭＴの用途に応じて閾値電圧を設定することができる。
【0031】
本発明の更なる実施例は、本発明によるＨＥＭＴの制御方法を提供する。本方法は、電荷ゾーンを通る伝導チャネルを有効状態と無効状態との間で変化させるＨＥＭＴの閾値電圧が正であるように、第３の材料の分極方向及び／又は分極度を設定するために、ゲート電極に第１の電圧を印加する工程を含む。これにより、ＨＥＭＴをノーマリーオフ状態で動作させることができる。
【0032】
本発明の更なる実施例は、ＨＥＭＴの製造方法を提供する。本方法は、第１の層、第２の層、及び第３の層を含む層構造を提供することを含む。第３の層は、強誘電性の材料を含む。層構造の提供は、第２の層が第１の層と第３の層との間に配置されるように行われる。更に、層構造の提供は、第２の層の主面が第１の層の主面に対向して配置されるように行われる。層構造の提供は、電荷ゾーンが第１の層の主面に沿って形成されるように行われる。本方法は、電荷ゾーンがソース接点とドレイン接点との間に電気的に直列に配置されるように、ソース接点及びドレイン接点を適用する工程を更に含む。本方法は、ソース接点及びドレイン接点と共に層構造の温度処理又はアニーリングを更に含む。
【0033】
温度処理によって、ソース接点と電荷ゾーンとの間、又はドレイン接点と電荷ゾーンとの間のオーミック接触を達成又は改善することができる。本発明者らは、層構造が第３の層を含む製造プロセスの時点で温度処理が行われる場合、ＨＥＭＴを特に単純な方法で製造できることを見出した。
【0034】
一実施形態によれば、層構造の提供は、第２の層の主面が第１の層の主面に対向して配置され、第１の層の主面に沿って電荷ゾーンが形成されるように、かつ第１の層がウルツ鉱型結晶構造を有する第１の材料を含み、第２の層がウルツ鉱型結晶構造を有する第２の材料を含むように、第１の層及び第２の層をエピタキシャルに塗布することを含む。更に、層構造を提供することは、第２の層が第１の層と第３の層との間に配置され、第３の層がウルツ鉱型結晶構造を有する強誘電性の第３の材料を含むように、強誘電性の第３の層をエピタキシャルに塗布することを含む。
【0035】
本発明の更なる実施例は、ＨＥＭＴの製造方法を提供する。本方法は、第２の層の主面が第１の層の主面に対向して配置され、電荷ゾーンが第１の層の主面に沿って形成されるように、第１の層及び第２の層をエピタキシャルに塗布することを含む。更に、第１の層及び第２の層のエピタキシャル塗布は、第１の層がウルツ鉱型結晶構造を有する第１の材料を含み、第２の層がウルツ鉱型結晶構造を有する第２の材料を含むように行われる。本方法は、第２の層が第１の層と第３の層との間に配置され、第３の層がウルツ鉱型結晶構造を有する強誘電性の第３の材料を含むように、強誘電性の第３の層をエピタキシャルに塗布することを更に含む。
【0036】
本発明者らは、第１の層、第２の層及び第３の層がエピタキシャルに製造されるという点で、ＨＥＭＴを特に単純で欠陥のない方法で製造できることを見出した。この目的のために、第１の層、第２の層、及び強誘電性の第３の層がウルツ鉱型結晶構造を有する場合に特に有利である。
【0037】
本発明の実施例は、添付の図面を参照して以下に記載される。
【図面の簡単な説明】
【0038】
【図1】一実施形態のＨＥＭＴの概略図である。
【図2】ゲート電極を備えるＨＥＭＴの更なる実施例の概略図である。
【図3】ゲート構造を備えるＨＥＭＴの更なる実施例の概略図である。
【図4】領域内に配置されたゲート電極を備えるＨＥＭＴの更なる実施例の概略図である。
【図5】ゲート構造を備えるＨＥＭＴの更なる実施例の概略図である。
【図6】一実施形態によるＨＥＭＴの切換方法のフロー図である。
【図7】更なる実施形態によるＨＥＭＴの切換方法のフロー図である。
【図8】一実施形態のＨＥＭＴの製造方法のフロー図である。
【図9】更なる実施形態によるＨＥＭＴの製造方法のフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【0039】
以下、本発明の実施例を、添付の説明を用いて詳細に説明する。以下の説明では、本開示の実施例のより完全な説明を提供するために、多くの詳細が説明される。しかしながら、これらの具体的な詳細のない他の実施例を実施することができることは当業者には明らかである。異なる記載された実施例の特徴は、対応する組合せの特徴が相互に排他的でない限り、又はそのような組合せが明示的に除外されない限り、互いに組み合わせることができる。
【0040】
同一又は類似の要素、又は同じ機能を有する要素には、同一又は類似の参照符号又は同じ名称が付されてもよく、同一又は類似の参照符号又は同じ名称が付された要素の繰り返しの説明は、典型的には省略されることに留意されたい。同じ又は類似の参照符号又は同じ名称を有する要素の説明は交換可能である。
【0041】
図１は、本発明の一実施例に係るＨＥＭＴ１００の概略図である。ＨＥＭＴ１００は、第１の層１１０及び第２の層１２０を備える。第１の層１１０は、第１の窒化化合物からなる第１の材料１１１を含む。第１の窒化化合物は、ＩＩＩ族元素を含む。第２の層１２０は、第２の窒化化合物からなる第２の材料１２１を含む。第２の窒化化合物は、ＩＩＩ族元素を含む。第２の層１２０の主面１２２は、電荷ゾーン１６０が第１の層の主面１１２に沿って形成されるように、第１の層１１０の主面１１２に対向して配置される。ＨＥＭＴは、ゲート電極１７０を更に備える。ゲート電極１７０は、第２の層１２０が第１の層１１０とゲート電極１７０との間に配置されるように、少なくとも領域において、第２の層１２０に対向して配置される。更に、ＨＥＭＴは第３の層１３０を備える。第３の層１３０は、ゲート電極１７０と第２の層１２０との間に配置される。第３の層１３０は、強誘電性の第３の材料１３１を含む。第３の材料１３１は、第３の窒化化合物からなる。あるいは、第３の材料１３１は、亜鉛を含有する酸化化合物、例えば酸化亜鉛又は酸化亜鉛化合物からなる。
【0042】
図１は、例として選択されるデカルト座標系を示す。実施例では、第１の層１１０、第２の層１２０、及び第３の層１３０は、ｚ方向に沿って配置され、各層はｘ－ｙ平面内に延在することができる。
【0043】
実施例では、第１の層１１０、第２の層１２０、第３の層１３０、及びゲート電極１７０は層構造の一部である。層構造の各層は、主面と、主面の反対側の更なる主面とを含むことができる。層の主面は、層構造の主方向に沿って互いに平行に配置することができる。実施例では、第１の層１１０、第２の層１２０、第３の層１３０、及びゲート電極１７０は、ｘ－ｙ平面と平行に配置することができる。
【0044】
層構造は、例えば、その２つの層が少なくとも境界面によって互いに分離されていることを特徴とすることができる。したがって、互いに隣接して配置された層構造の２つの層の間の境界面は、２つの層の互いに対向する主面から形成することができる。この場合、境界面は、例えばそれらの組成及び／又はそれらの構造によって互いに異なり得る２つの異なる材料間の境界面を構成することができる。
【0045】
第１の層の主面及び第２の層の主面の対向配置は、これらの主面が互いに対向して配置されていることを意味することができる。図１に示すように、第１の層１１０の主面１１２は第２の層１２０に面し、これに対応して第２の層１２０の主面１２２は第１の層に面する。
【0046】
例えば、第１の材料１１１及び第２の材料１２１は半導電性材料であり、そのバンドギャップは、電荷ゾーン１６０を提供することができるｚ方向の電位曲線の極値が主面１１２に沿って形成されるように互いに整合される。極値は、２ＤＥＧが主面１１２に沿って形成され得るように、最小値とすることができる。
【0047】
実施例では、第１の材料１１１及び第２の材料１２１の組合せは、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ、ＡｌＳｃＮ／ＧａＮ、ＡｌＮ／ＧａＮ及びＡｌＳｃＮ／ＧａＳｃＮのうちの１つである。
【0048】
実施例では、第１の材料及び第２の材料の両方が、ウルツ鉱型結晶構造を有する。
【0049】
第３の材料１３１は強誘電性であるため、第３の材料１３１が電界を受けることで、第３の材料１３１の分極状態を設定することができる。強誘電性材料の分極状態はまた、例えば反対方向を有する十分な大きさの電界が印加されるために、電界の印加後に維持させることができる。例えば、上記電界を生成するために、例えばソース領域又はドレイン領域を介して、ゲート電極１７０と電荷ゾーン１６０との間に電圧を印加することができる。第３の層１３０内又は第３の層１３０内の考慮される領域内の第３の材料１３１は、完全に一方向に分極するか、又は部分的に分極することができる。例えば、個々の局所ドメインは一方向に分極することができ、更なるドメインは無分極にするか、又は異なる方向に分極することができる。第３の材料１３１又は第３の材料１３１の考慮される領域の分極状態は、第３の材料１３１又は第３の材料１３１の考慮される領域にわたって平均化された分極に関連し得る。図１では、実施例として、分極方向が少なくとも部分的に第２の層１２０から反対側を向く第１の分極状態１３４と、分極方向が少なくとも部分的に第２の層１２０に向く第２の分極状態１３４’とが示されている。
【0050】
第３の材料１３１の分極は、ゲート電極によって印加される電界と同様に、電荷ゾーン１６０の分極に作用することができる。第３の材料１３１の分極状態に応じて、電荷ゾーン１６０はそれに応じて空乏化され得る、すなわち遮断され得る、又は導電性であり得る。更に、電荷ゾーン１６０の電位は、ゲート電極１７０と対向する電荷ゾーン１６０の領域内の電荷担体密度を変化させ、したがって電荷ゾーン１６０の導電性を有効又は無効にするために、ゲート電極１７０と電荷ゾーン１６０との間に電圧を印加することによって電界効果を利用して変化させることができる。ゲート電極１７０と電荷ゾーン１６０との間に必要とされる、電荷ゾーン１６０を通る伝導チャネルを有効状態と無効状態との間で変化させる電圧は、ＨＥＭＴの閾値電圧とも称され得る。実施例では、第３の層１３０の分極度を設定することで、ＨＥＭＴの閾値電圧を徐々に設定することができる。
【0051】
したがって、電荷ゾーン１６０の多数の負荷担体が電子である実施例では、電荷ゾーンは２ＤＥＧを含むか、又は２ＤＥＧによって形成することができ、ｚ方向の第３の材料の分極方向は、ＨＥＭＴの閾値電圧、例えば第１の分極状態１３４の正のシフトを引き起こすことができる。ｚ方向の第３の材料の分極方向は、ＨＥＭＴの閾値電圧の負のシフト、例えば第２の分極状態１３４’をもたらすことができる。この場合、閾値電圧のシフトの大きさは、分極度に依存し得る。すなわち、正閾値電圧と負閾値電圧との間の移行は、実施例では、第３の層の分極度の変更によって行うことができ、分極方向は必ずしも変化する必要はない。
【0052】
第３の材料１３１の分極の変更又は切換に必要とされ得る電界の強度は、実施例では、０．１ＭＶ／ｃｍ～８ＭＶ／ｃｍであり得る。第３の層１３０の層厚は、例えば、５～１０００ｎｍの範囲内とすることができる。例えば、分極を切り換えるための電界の強度は、第３の層１３０の層厚の選択によって影響され得る。
【0053】
電荷ゾーン内の多数の電荷担体が電子である実施例では、ＨＥＭＴは、閾値電圧（符号を考慮に入れる）が、第３の材料１３１の分極が実質的に変化する電圧に対して、例えば、少なくとも１．２分の１、１．５分の１、２分の１、又は５分の１に減少するように、例えば、５０％超、又は３０％超、又は１０％超となるように構成することができる。したがって、第３の材料の分極を第２の分極状態に設定するのに十分な電界が、電荷ゾーンとゲート電極との間に確立され得ることを確実にすることが可能である。
【0054】
実施例では、ゲート電極１７０に電圧を印加することにより、第３の材料１３１の分極状態を設定することができる。電荷ゾーン１６０を通る伝導チャネルを有効状態と無効状態との間で変化させる、ＨＥＭＴの閾値電圧は、第３の材料１３１の分極状態に依存する。
【0055】
電荷ゾーン１６０が２ＤＥＧを形成する実施例では、導電状態において、第２の層１２０の方向、すなわちｚ方向とは反対に少なくとも部分的に面する第３の材料１３１の分極方向は、閾値電圧の正の値のシフトをもたらすことができ、一方、第２の層１２０から少なくとも部分的に反対に向く、すなわち、ｚ方向に向く第３の材料１４２の分極方向は、閾値電圧の負の値のシフトをもたらすことができる。
【0056】
実施例では、第３の材料１３１は、第１の分極状態を有する。第３の材料１３１が第１の分極状態にある場合、ＨＥＭＴの閾値電圧は正である。例えば、第１の分極状態は、分極方向が少なくとも部分的にｚ方向に沿って配向された分極状態、例えば分極状態１３４であってもよい。電荷ゾーン１６０が２ＤＥＧを形成する実施例では、導電状態において、正の閾値電圧は、ゲート電極に電圧が印加されていないときに電荷ゾーン１６０を通る伝導チャネルが無効にされることを意味することができる。
【0057】
実施例では、第３の材料１３１は、更に第２の分極状態を有する。第３の材料１３１が第２の分極状態にある場合、ＨＥＭＴの閾値電圧は負である。例えば、第２の分極状態は、その分極方向が、少なくとも部分的にｚ方向とは反対に、例えば第１の分極状態、例えば分極状態１３４’とは反対に配向される分極状態であってもよい。あるいは、第２の分極状態は、第１の分極状態と同じ分極方向を有するが、第１の分極状態よりも低い分極度を有することができる。電荷ゾーン１６０が２ＤＥＧを形成する実施例では、導電状態において、負の閾値電圧は、ゲート電極に電圧が印加されていないときに電荷ゾーン１６０を通る伝導チャネルが可能であることを意味することができる。
【0058】
実施例では、ＨＥＭＴ１００はソース領域１７２及びドレイン領域１７４を更に含み、電荷ゾーン１６０がソース領域１７２とドレイン領域１７４との間に電気的に直列に配置されるように配置される。ソース領域１７２及びドレイン領域１７４の配置は、一実施例として理解されるべきである。例えば、ソース領域１７２及びドレイン領域１７４は、第１の層１１０に隣接して、及び／又は第２の層１２０に隣接して配置することができる。導電状態において、電荷ゾーン１６０は、ソース領域１７２とドレイン領域１７４との間に伝導チャネルを提供することができる。このように、ゲート電極１７０に電圧を印加することにより、ソース領域１７２とドレイン領域１７４との間の伝導チャネルを有効又は無効にすることができる。
【0059】
実施例では、第３の材料１３１は、ウルツ鉱型結晶構造を有する。
【0060】
したがって、実施例では、第１の材料１１１、第２の材料１２１、及び第３の材料１３１は、ウルツ鉱型結晶構造を有することができる。
【0061】
実施例では、第３の材料１３１は、１つ以上のＩＩＩ族元素を含む窒化化合物を含む。例えば、第３の材料１３１の窒化化合物は、Ａｌ、Ｇａ、及びＩｎのうちの１つ以上を含む。
【0062】
第３の材料１３１が窒化化合物である場合と、第３の材料１３１が亜鉛を含む酸化化合物である場合の両方について、第３の材料１３１は遷移金属を含むことができる。遷移金属は、任意選択的に、Ｓｃ、Ｎｂ、Ｔｉ、又はＹのうちの１つであってもよい。実施例では、第３の材料は、ＡｌＳｃＮ又はＧａＳｃＮである。
【0063】
実施例では、第３の材料１３１は、１つ以上のＩＩＩ族元素及び遷移金属を含む窒化化合物である。これらの実施例では、第３の材料１３１の窒化化合物中の遷移金属の化学量論的割合は、窒化化合物中の１つ以上のＩＩＩ族元素及び遷移金属の総化学量論的割合の１０％～５０％とすることができる。例えば、第３の材料１３１は、化学式Ａ（１－ｘ）ＴｘＮを有し、式中、ＡはＩＩＩ族元素又は複数の異なるＩＩＩ族元素を表し、Ｔは遷移金属を表し、Ｎは窒素であり、ｘは０．１～０．５である。
【0064】
実施例では、第３の材料１３１は、１つ以上のＩＩＩ族元素及び遷移金属を含む酸化化合物である。これらの実施例では、第３の材料１３１の酸化化合物中の遷移金属の化学量論的割合は、窒化化合物中の亜鉛及び遷移金属の総化学量論的割合の１０％～５０％とすることができる。例えば、第３の材料１３１は、化学式Ｚｎ（１－ｘ）ＴｘＮを有し、式中、Ｔは遷移金属を表し、ｘは０．１～０．５である。
【0065】
実施例では、第３の材料１３１は、第２の材料１２１よりも低い保磁力を有する。したがって、第２の材料１２１も強誘電性であり得る。例えば、第２の層の主面に垂直な方向に各材料の分極部分を切り換えるか、又は変更するために、第３の材料１３１は、第２の材料１２１よりも保磁力が低い。
【0066】
結果として、第３の材料の分極方向は、ゲート電極１７０と電荷ゾーン１６０との間の電界によって変更するか、又は切り換えることができ、この電界は、第２の材料の分極方向を実質的に変更することなく、第３の材料１３１の保磁力よりも大きく、第２の材料１２１の保磁力よりも小さい電界強度を有する。
【0067】
例えば、上述の保磁力の関係は、特に第１、第２、及び第３の材料がウルツ鉱型結晶構造を有する実施例では、第３の材料又は第３の層が第２の材料又は第２の層よりも高い割合の遷移金属を有するために達成することができる。遷移金属の割合は、例えば、窒化化合物中の遷移金属の記載された割合である。
【0068】
代替的又は追加的に、保磁力間の上述の関係は、第３の材料１３１が引張応力を有するという点で達成することができる。例えば、第３の層は、第２の層の主面に垂直な方向において、基準格子定数よりも大きい格子定数を有する。基準格子定数は、例えば、第３の材料の平衡格子定数とすることができる。引張応力は、例えば、第３の材料中の第３の層の、例えば堆積の場合の製造プロセスによって発生させることができる。
【0069】
図２は、ＨＥＭＴ１００の更なる実施例の概略図である。ＨＥＭＴ１００は、第２の層１２０と第３の層１３０との間に配置された第４の層２４０を含むことができる。第４の層２４０は、導電性材料を含む。第４の層２４０の導電性材料は、例えば、ＴｉＮ、ＮｂＮ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｉのうちの１つである。第４の層２４０は、第４の層２４０とゲート電極１７０との間に第３の層１３０が配置されるように配置することができる。第４の層２４０は、フローティングゲートとして機能することができる。すなわち、第４の層２４０は、電位フリーであり得る、すなわち特定の電位に切り換えられ得ない。第４の層２４０とゲート電極１７０との間の関係は、第３の層を通る電界強度を決定することができる。好都合には、第４の層２４０は、ゲート電極１７０よりも大きい表面領域を有する。したがって、第３の材料の分極を変化させるために、第３の層１３０を通じて十分に高い電界強度を達成することが可能であり、一方、第２の層を通じての電界強度は、破壊又は強誘電切換を防止するために十分に小さい。この場合、第４の層又はゲート電極の表面領域は、層と平行な、すなわち、例えば第１の層１１０又は第２の層１２０の主面と平行な平面内の延長部を指すことができる。言い換えると、ゲート電極に対向して配置された第４の層２４０の主面の表面測定値は、第４の層に対向して配置されたゲート電極の主面の表面測定値よりも大きくすることができる。この場合、第４の層の主面は、第２の層の主面に対向して、例えば、平行に配置され得る。
【0070】
したがって、実施例では、ゲート電極１７０と第４の層２４０との間の電気容量は、例えば、電荷ゾーンが導電状態にあるとき、第４の層２４０と電荷ゾーン１６０との間の電気容量よりも小さい。
【0071】
実施例では、ＨＥＭＴ１００は、絶縁層２５０を更に備える。絶縁層５２の実装は、第４の層２４０の実装とは独立している。絶縁層２５０は、図２に示すように、第２の層１２０と第４の層２４０との間に配置することができる。他の実施例では、絶縁層２５０は、第４の層２４０なしで実装することができる。これらの実施例では、絶縁層２５０は、第２の層１２０と第３の層１３０との間に配置される。絶縁層２５０は、第２の層１２０の主面１２２とは反対側の更なる主面２２４を不動態化することができる。絶縁層２５０は、電気絶縁材料、例えばＡｌ２Ｏ３、ＧａＮ又はＡｌＮからなるものを含む。
【0072】
実施例では、ＨＥＭＴ１００は、中間層２１５を更に含む。中間層２１５は、第１の層１１０と第２の層１２０との間に配置される。中間層２１５は、窒化化合物からなる材料を含む。中間層２１５は、例えば、１０ｎｍ未満の厚さとすることができる。中間層２１５は、電荷ゾーン１６０を第１の層１１０内に位置させることができる。第１の層１１０は、欠陥が特に低くすることができ、それにより、電荷ゾーン１６０が第１の層１１０内に位置するとき、電荷ゾーン１６０を通る伝導チャネルの導電率を特に高くすることができる。実施例では、中間層２１５の材料は、ＡｌＮ及びＧａＮのうちの一方とすることができる。これらの材料は、特に、第１の材料１１１及び第２の材料１２１の組合せが、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ、ＡｌＳｃＮ／ＧａＮ及びＡｌＳｃＮ／ＧａＳｃＮのいずれかである場合に好適である。中間層２１５は、第１の層１１０の主面１１２に隣接し、及び第２の層１２０の主面１２２に隣接して配置することができる。中間層２１５を有さない実装の場合、第１の層１１０の主面１１２は、第２の層１２０の主面１２２に隣接して配置することができる。中間層２１５は、第４の層２４０及び絶縁層２５０とは独立して実装することができる。
【0073】
図１に示す実施例では、第４の層２４０、絶縁層２５０、及び中間層２１５は、互いに独立して実装することができる。
【0074】
図３は、ＨＥＭＴ１００の更なる実施例の概略図である。本実施例によれば、ゲート電極１７０及び第３の層１３０は、ゲート構造３７５の一部である。ゲート構造３７５は、領域において、第２の層１２０に対向して配置される。
【0075】
図３に示す実施例では、ゲート構造３７５は、第１の層１１０及び第２の層１２０の第１の領域１２５に対向して配置されている。第１の層１１０及び第２の層１２０は、第１の領域１２５とは異なる第２の領域１２７を更に含むことができる。第３の層１３０の分極は、ゲート構造３７５に対向する電荷ゾーン１６０の領域１６１内の電荷担体密度に影響を及ぼし得る。第１の層１１０及び／又は第２の層１２０の第２の領域１２７に位置する電荷ゾーン１６０の第２の領域１６２は、（例えば、エッジ効果とは別に）第３の層１３０の分極の影響をほとんど受けないままであり得る。図３に示す実施例では、ゲート構造３７５は、第４の層２４０を更に含む。しかしながら、ゲート構造３７５は、図２に示されるように、第４の層２４０なしで、及び／又は追加的に絶縁層２５０を用いて実装することもできる。任意選択的に、図３に示す実施例では、中間層２１５も実装することができる。
【0076】
図３に示すＨＥＭＴ１００の実装の一実施例では、第１の材料１１１は真性ＧａＮであり、第２の材料１２１はＡｌ０．３Ｇａ０．７Ｎであり、第３の材料１３１はＡｌＳｃＮである。任意選択的に、本実施例では、第４の層２４０の材料は、ＴｉＮとすることができる。
【0077】
図４は、ＨＥＭＴ１００の更なる実施例の概略図である。図４の実施例によれば、ゲート電極１７０がゲート電極領域４７１に配置されているため、ゲート電極領域４７１に電圧を印加することによって、ゲート電極１７０に対向する第３の層１３０の第１の領域４３３における第３の材料１３１の分極状態を設定することができる。第３の層１３０は、第１の領域４３３とは異なる第２の領域４３５を更に含む。第３の層１３０の第２の領域４３５の第３の材料は、第２の領域４３５に対向する電荷ゾーン１６０の電荷ゾーン領域４６５が導電状態にある分極状態にある。
【0078】
第３の層１３０の第１の領域４３３における第３の材料の分極状態を設定することにより、例えば、ゲート電極１７０に対向する電荷ゾーン１６０の電荷ゾーン領域４６３の導電率に対する閾値電圧を設定することができる。更に、ゲート電極１７０を使用して、更なる電荷ゾーン領域４６３を通る伝導チャネルを有効又は無効にすることができる。
【0079】
ゲート電極領域４７１は、ソース領域１７２とドレイン領域１７４との間の方向（例えば、ｘ方向）を横切る方向（例えば、ｙ方向）に、ソース領域１７２とドレイン領域１７４との間に配置されたチャネル領域を完全に覆って延在することができ、それにより、更なる電荷ゾーン領域４６３が電気絶縁状態にある場合、ソース領域１７２及びドレイン領域１７４は互いに電気的に絶縁される。ゲート電極４７１の表面は、例えば、ソース領域１７２とドレイン領域１７４との間の伝導チャネルを無効にすることができるように正確に非常に大きくすることができるが、この条件下では、電荷ゾーン１６０とゲート電極１７０との間の漏れ電流を防止し、ゲート電極の静電容量を小さく保つために、可能な限り小さくすることができる。同時に、例えば、ソース領域１７２とドレイン領域１７４との間、又はソース領域１７２とゲート電極１７０との間、又はドレイン領域１７４とゲート電極１７０との間の電圧が１００Ｖを超える場合でも、ソース領域１７２とドレイン領域１７４との間の距離を非常に大きくして、電圧破壊を防止することができる。実施例では、ソース領域１７２からドレイン領域１７４に向かう方向におけるゲート電極１７０の寸法は、ソース領域１７２とドレイン領域１７４との間の距離の１０％～８０％、又は４０％～６０％である。
【0080】
図４に示す実施例では、第４の層２４０、絶縁層２５０、及び中間層２１５は、互いに独立して任意に実装することができる。実施例では、第４の層２４０は、ゲート電極１７０に対向する領域に配置することができる。
【0081】
【0082】
図５は、ＨＥＭＴ１００の更なる実施例の概略図である。本実施例によれば、ＨＥＭＴ１００は、第１の層１１０が基板１０６と第２の層１２０との間に配置されるように、第１の層１１０に対向して配置される基板１０６を備える。基板１０６は、例えば、Ｓｉ、ＳｉＣ、又はＧａＮを含むことができる。更に、ＨＥＭＴ１００は、基板１０６と第１の層１１０との間に配置された多層格子バッファ１０８を備える。格子バッファ１０８は、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮの複数又は全てを含む異なる材料の複数の層を含む。格子バッファ１０８は、基板１０６の格子定数と第１の層１１０の格子定数との間の移行を作り出すのに役立つことができ、その結果、第１の層１１０は、欠陥が少なく基板１０６上に製造することができる。基板１０６及び格子バッファ１０８は、図１～図４に示す実施例においても実現可能である。
【0083】
図５に示す実施例では、ソース領域１７２及びドレイン領域１７４は、第１の層１１０の主面１１２に隣接して配置され、その結果、電荷ゾーン１６０に対するソース領域１７２及びドレイン領域１７４の電気的接触が保証される。
【0084】
また、図５に示す実施例では、ゲート構造３７５は、第２の層１２０の更なる主面２２４の領域に隣接して配置される。ＨＥＭＴ１００は、例えばＳｉＮなどの電気絶縁材料を含むことができるパッシベーション層５５５を含むことができる。例えば、パッシベーション層５５５は、第２の層１２０の別の主面２２４のゲート構造３７５に隣接していない領域に隣接して配置されてもよい。更に、パッシベーション層５５５は、ゲート構造３７５に隣接して配置され得る。
【0085】
ＨＥＭＴ１００は、導電性材料を含むことができる遮蔽層５７６を更に含むことができる。遮蔽層５７６は、例えば、ソース領域１７２又はドレイン領域１７４に導電的に接続することができる。遮蔽層５７６は、ゲート電極１７０が遮蔽層５７６と第２の層１２０との間に配置されるように、ゲート電極に対向して配置される。更に、電気的絶縁層、例えばパッシベーション層５５５が、遮蔽層５７６とゲート電極１７０との間に配置される。ゲート電極１７０とソース領域１７２との間に電圧が印加される場合、ゲート電極１７０と領域１２０に電気的に接続された電荷ゾーン１６０との間に電界効果を発生させるために、遮蔽層５７６の配置により、ドレイン領域１７４に対してゲート電極を遮蔽することができる。更に、遮蔽層５７６の配置は、ゲート電極の電界の分布を確実にすることができ、その結果、強い局所電界を防止することができ、よって構成要素の信頼性を高めることができる。
【0086】
ＨＥＭＴ１００は、電気絶縁材料５８０、例えば酸化化合物を含むことができる第５の層５８０を更に含むことができる。第５の層５８０は、パッシベーション層５５５及び／又は遮蔽層５７６が第５の層５８０と第２の層１２０との間に配置されるように、パッシベーション層５５５及び／又は遮蔽層に隣接して配置することができる。例えば、第５の層５８０は、ソース領域とドレイン領域との間の領域を完全に覆うことができる。第５の層は、保護、特に遮蔽層５７６の保護に役立つことができる。
【0087】
図５に示すＨＥＭＴ１００の実施態様の一例では、基板１０６は、Ｓｉ、ＳｉＣ、又はＧａＮからなる。格子バッファ１０８は、少なくともＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮの層を含むことができる。第１の材料１１１は真性ＧａＮとすることができ、第２の材料はＡｌ０．３Ｇａ０．７Ｎとすることができ、第３の材料１３１はＡｌＳｃＮである。任意選択的に、第４の層２４０は、ＴｉＮからなることができる。パッシベーション層５５５は、例えばＳｉＮからなることができる。
【0088】
図１及び図２に示すように、ＨＥＭＴ１００は、ＨＥＭＴ１００及び制御信号発生器１９０を備えるトランジスタアセンブリの一部であってもよい。これは、図３～図５の実施例にも関係する。制御信号発生器１９０は、第３の層１３０のゲート電極１７０と対向する領域に分極方向を設定するために、ゲート電極１７０に電圧を印加するように構成されている。
【0089】
例えば、制御信号発生器１９０は、ＨＥＭＴ１００の閾値電圧を設定するために、ゲート電極１７０に電圧を印加することによって、ゲート電極１７０に対向する第３の層１３０の領域に分極度を設定するように構成される。
【0090】
例えば、制御信号発生器１９０は、印加電圧の極性に対応する方法で、ゲート電極１７０に対向する領域において第３の材料が完全に又は部分的に分極される電圧をゲート電極１７０に印加するように構成することができ、印加電圧の大きさは、印加電圧の極性に対応する方法で、ゲート電極１７０に対向する領域における分極度、すなわち、第３の材料がどの部分で分極されるかを決定することができる。
【0091】
制御信号発生器１９０は、閾値電圧を正の値に設定するために、ゲート電極１７０と電荷ゾーン１６０との間に第１の電圧を印加するように構成することができる。更に、制御信号発生器は、閾値電圧を負の値に設定するために、ゲート電極１７０と電荷ゾーン１６０との間に第２の電圧を印加するように構成することができる。制御信号発生器１９０は、例えば、ゲート電極１７０とソース領域１７２又はドレイン領域１７４との間に第１の電圧を印加することができる。
【0092】
図１～図５によるＨＥＭＴ１００の実施例では、ＨＥＭＴの閾値電圧が高くなるように、第３の材料１３１の分極状態を設定することができる。結果として、ＨＥＭＴ１００は、例えば、有効状態又は無効状態を安定して維持することを意図した論理構成要素に適し得る。実施例では、閾値電圧は、ＨＥＭＴ１００がプログラマブルロジック構成要素に適し得るように、第３の材料１３１の分極状態を正又は負の値に設定することによって設定することができる。更に、ＨＥＭＴ１００は、入力電圧と出力電圧との関係に応じてそれらの機能（例えば、バック・アンド・ブースト）を変更する電流変換器の実装を可能にすることができる。他の実施例では、ＨＥＭＴ１００は、出力電力に応じて構成要素を接続又は切断することができる電流変換器に使用することができる。
【0093】
図６は、一実施形態によるＨＥＭＴ１００の制御方法６００のフロー図である。本方法は、第３の材料１３１の分極方向及び／又は分極度を設定するために、電荷ゾーン１６０を通る伝導チャネルを有効状態と無効状態との間で変化させるＨＥＭＴ１００の閾値電圧を設定するために、ゲート電極に電圧を印加する工程６０１を含む。
【0094】
図７は、一実施形態によるＨＥＭＴ１００の制御方法７００のフロー図である。本方法は、電荷ゾーン１６０を通る伝導チャネルを有効状態と無効状態との間で変化させるＨＥＭＴ１００の閾値電圧が正であるように、第３の材料１３１の分極方向及び／又は分極度を設定するために、ゲート電極１７０に電圧を印加する工程７０１を含む。
【0095】
例えば、ゲート電極１７０への電圧の印加６０１、７０１は、方法６００又は７００において、ゲート電極１７０と電荷ゾーン１６０との間に電圧を印加することによって、又はゲート電極１７０と第４の層２４０との間に電圧を印加することによって行うことができる。
【0096】
【0097】
図８は、一実施形態によるＨＥＭＴの製造方法１０のフロー図である。方法１０は、第１の層１１０、第２の層１２０、及び第３の層１３０を含む層構造を提供する工程１１を含む。第３の層１３０は、強誘電性材料１３１を含む。層構造の提供は、第２の層１２０が第１の層１１０と第３の層１３０との間に配置され、第２の層１２０の主面１２２が第１の層１１０の主面１１２に対向して配置されるように行われる。更に、層構造の提供は、電荷ゾーン１６０が第１の層１１０の主面１１２に沿って形成されるように行われる。これは、例えば、図１～図５を参照して説明したように、第１の層１１０及び第２の層１２０の材料を選択することによって達成することができる。方法１０は、ソース接点１７２及びドレイン接点１７４の適用を含む工程１２を更に含む。工程１２は、例えば金属を堆積させることによって行うことができる。ソース接点１７２及びドレイン接点１７４の適用は、電荷ゾーン１６０がソース接点とドレイン接点との間に電気的に直列に配置されるように行われる。更に、方法１０は、ソース接点及びドレイン接点と共に層構造の温度処理、例えばアニーリングを含む工程１３を含む。
【0098】
温度処理によって、ソース接点１７２と電荷ゾーン１６０との間、及びドレイン接点３７４と電荷ゾーン１６０との間のオーミック接触を達成又は改善することができる。例えば、温度処理は、層構造をソース接点及びドレイン接点と共に７００℃を超える温度に曝露することを含むことができる。
【0099】
第１の層１１０、第２の層１２０、第３の層１３０は、図１～図５を参照して説明した方法１０によって製造することができる。特に、第１の層１１０、第２の層１２０、第３の層１３０は、図１～図５を参照して説明した材料を含むことができる。特に、第３の層１３０は、強誘電性の第３の材料１３１を含むことができる。図１～図５を参照して説明した強誘電性の第３の材料１３１は、特に温度安定性が高いため、第３の層１３０を損傷することなく、第３の層１３０を含む層構造を用いて工程１３を実施することができる。これは、特に、第３の材料１３０が、ＡｌＳｃＮなどの遷移金属を含むＩＩＩ族窒化化合物である場合に当てはまる。
【0100】
層構造を提供する工程１１は、任意選択的に、第１の層１１０及び第２の層１２０を含む層構造を提供する工程、更に第３の層１３０を塗布する更なる工程を含むことができる。更に、工程１１は、第３の層１３０の構造化を含むことができる。例えば、ソース接点１７２及びドレイン接点１７４が第２の層に隣接して配置されるように工程１２におけるソース接点１７２及びドレイン接点１７４の適用を行うことができるように、第３の層の領域を除去することができる。他の実施例では、工程１１はまた、ソース接点１７２及びドレイン接点１７４が第１の層１１０に隣接して配置されるように工程１２におけるソース接点１７２及びドレイン接点１７４の適用を行うことができるように、第２の層の部分的な除去を含むことができる。
【0101】
実施例では、工程１２は、ゲート電極１７０の適用を更に含む。
【0102】
【0103】
実施例では、工程１１は、基板上又は基板上の格子調整層上に第１の層１１０を塗布又は堆積することを含む。更に、工程１１は、第２の層１２０を第１の層１１０上に塗布又は堆積させることを含むことができる。あるいは、工程１１は、例えば図１～図５を参照して説明したように、中間層２１５を第１の層１１０上に塗布又は堆積させる工程と、第２の層１２０を中間層２１５上に塗布又は堆積させる工程とを含むことができる。更に、工程１１は、第３の層１３０を第２の層上に塗布又は堆積させることを含むことができる。あるいは、工程１１は、対応する方法で、絶縁層２５０及び／又は第４の層２４０を第２の層１２０上に塗布又は堆積させる工程と、第３の層１３０を絶縁層２５０又は第４の層２４０上に塗布又は堆積させる工程とを含むことができる。工程１１は、中間層２１５、第４の層２４０、及び絶縁層２５０が、図１～図５を参照して説明したような特性及び配置を満たすように行うことができる。
【0104】
方法１０の実施例では、工程１１は、図９を参照して説明した方法２０によって行うことができる。
【0105】
図９は、一実施形態によるＨＥＭＴの製造方法２０のフロー図である。方法２０は、第１の層１１０及び第２の層１２０のエピタキシャル塗布を含む工程２１を含む。工程２１は、第２の層１２０の主面１２２が第１の層１１０の主面１１２に対向して配置されるように行われる。更に、工程２１は、電荷ゾーン１６０が第１の層１１０の主面１１２に沿って形成されるように行われる。これは、図１～図５を参照して説明したように、第１の層１１０及び第２の層１２０の材料を選択することによって達成することができる。更に、方法２０は、強誘電性の第３の層１３０のエピタキシャル塗布を含む工程２２を含む。工程２２は、第２の層１２０が第１の層１１０と第３の層１３０との間に配置されるように行われる。工程２１及び工程２０は、第１の層１１０がウルツ鉱型結晶構造を有する第１の材料１１１を含み、第２の層１２０がウルツ鉱型結晶構造を有する第２の材料１２１を含み、第３の層１３０がウルツ鉱型結晶構造を有する強誘電性の第３の材料１３１を含むように行われる。結果として、第１の層１１０、第２の層１２０及び第３の層１３０を含む層構造は、特に良好にエピタキシャルに堆積させることができる。
【0106】
方法２０は、第１の層１１０、第２の層１２０、第３の層１３０を、これらが図１～図５を参照して説明したように配置されるように適用することを含むことができる。特に、第１の層１１０、第２の層１２０、第３の層１３０は、図１～図５を参照して説明した材料を含むことができる。
【0107】
実施例では、方法２０は、方法１０の工程１１に関して、第１の層１１０、第２の層１２０、第３の層１２０を堆積する工程を含む。方法２０は、方法１０の工程１１を参照して説明したように、中間層２１５、第４の層２４０、及び絶縁層２５０のうちの１つ以上の堆積を更に含むことができ、それぞれの層の堆積はエピタキシャルに行われる。これらの実施例では、有利には、工程１１に関して言及された全ての層は、ウルツ鉱型結晶構造を有することができる。
【0108】
特に、図８の方法１０及び図９の方法２０は、図１～図５を参照して説明したように、第１の層１１０が第１の材料１１１を含み、第２の層１２０が第２の材料１２１を含み、第３の層１３０が第３の材料１３１を含むように実行することができる。例えば、第１の材料１１１及び第２の材料１２１の組合せは、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ、ＡｌＳｃＮ／ＧａＮ、ＡｌＮ／ＧａＮ及びＡｌＳｃＮ／ＧａＳｃＮのいずれかとすることができる。第３の材料は、窒化化合物であってもよく、又は亜鉛を含む酸化化合物からなってもよい。第３の材料は、１つ以上のＩＩＩ族元素、例えば、Ａｌ、Ｇａ又はＩｎのうちの１つ以上を含むことができる。更に、第３の材料１３１は、遷移金属、例えばＳｃ、Ｎｂ、Ｔｉ、又はＹを含むことができる。例えば、第３の材料１３１は、１つ以上のＩＩＩ族元素及び遷移金属を含むことができ、画分は、任意選択的に、図１を参照して説明したように選択することができる。方法１０、２０が第４の層２４０を堆積させることを含む場合、これは、第４の層が導電性材料、例えばＴｉＮ、ＮｂＮ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｉ、及びＭｏのうちの１つを含むように実行することができる。更に、第４の層は、エピタキシャルに堆積することもできる。方法１０、２０が中間層２１５を堆積させることを含む場合、これは、中間層２１５が窒化化合物、例えば、ＡｌＮ及びＧａＮのうちの一方からなる材料を含むように実行することができる。
【0109】
本開示のいくつかの態様は、デバイスに関連する特徴として説明されているが、そのような説明は、対応する方法特徴の説明と考えることもできることは明らかである。いくつかの態様は、方法に関連する特徴として説明されているが、そのような説明は、デバイスの対応する特徴又はデバイスの機能の説明と考えることもできることは明らかである。
【0110】
上記の詳細な説明では、本開示を合理的に説明するために、異なる特徴が実施例にまとめられている場合がある。この種の開示は、特許請求される実施例が各請求項で明示的に指定されているよりも多くの特徴を含むことを意図していると解釈されることを意図していない。むしろ、添付の特許請求の範囲から以下のように、主題は、単一の開示された実施例の全ての特徴よりも少ない数で作成することができる。したがって、以下の特許請求の範囲は、詳細な説明に組み込まれ、全ての特許請求の範囲は、個別の別個の実施例とすることができる。各請求項は個々の別個の実施例とすることができるが、請求項の従属請求項は１つ以上の他の請求項との特定の組合せを参照しているものの、他の実施例はまた、従属請求項と他の従属請求項の主題との組合せ、又は各特徴と他の従属又は独立請求項との組合せも含むことに留意されたい。そのような組合せは、特定の組合せが意図されていないと述べられていない限り、含まれる。更に、１つの請求項の特徴と任意の他の独立請求項との組合せも、上記請求項が独立請求項に直接依存しない場合であっても含まれることが意図されている。
【0111】
上述の実施形態は、本開示の原理の例示を表すにすぎない。当然ながら、本明細書に記載の構成及び詳細の修正及び変形は、当業者には明らかである。したがって、本開示は、以下の特許請求の範囲の保護範囲によってのみ限定されるべきであり、実施形態の説明及び説明に基づいて本明細書に提示された特定の詳細によって限定されるべきではないことが意図される。
【0112】
参考文献
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【国際調査報告】