场效型电晶体装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种阈值电压的变动较少或动作所需的电极数较少的常断开场效型电晶体装置。本发明专利技术的场效型电晶体装置具有：闸极电极构造，其包含于半导体上依序积层的第一绝缘膜、电荷储存用闸极电极、第二绝缘膜、闸极电极；及第一电容，其是借助电荷储存用闸极电极与源极电极之间的电容耦合而形成；且借助流经上述第一电容的第一电流而于电荷储存用闸极电极中储存电荷；于源极电极与电荷储存用闸极电极之间具有包含第三绝缘膜与第一半导体层的积层膜；上述第一电流的至少一部分穿过上述积层膜而流动。积层膜而流动。积层膜而流动。

【技术实现步骤摘要】
场效型电晶体装置


[0001]本专利技术是关于一种半导体电晶体装置，尤其是关于一种对于场效型电晶体，实现常断开的场效型电晶体装置，所谓常断开是指于不对闸极电极施加电压的状态下，闸极电极下的导电通道实质上成为断开状态。

技术介绍

[0002]具有宽带隙的半导体可用于在高电压下动作的电子装置。其中，包含GaN、AlN、InN、ScN等氮化物或其等的混晶的氮化物半导体不仅带隙较宽，而且传导电子的迁移率较高，因此适合高电压高输出电子装置。尤其，使用氮化物半导体制成的场效型电晶体(FET，Field Effect Transistor)、及作为其一个形态的将AlGaN/GaN等半导体异质接面界面处所诱导的传导电子用作导电通道的高电子迁移率电晶体(HEMT，High Electron Mobility Transistor)，能够利用高电压、大电流、低导通电阻进行动作，并被用作电力用开关或高频电力放大器用电晶体。
[0003]然而，通常的氮化物半导体FET是所谓的常导通型，于不对闸极电极施加电压的状态下，闸极电极下的导电通道为导通状态。即，将流经源极电极与汲极电极之间的电流阻断的闸极电压、即所谓的阈值电压为负值。例如，于将氮化物半导体FET作为电力用开关而用于电源装置等的情形时，当施加于闸极电极的控制电压因误动作等而丢失时，开关打开。该情况会导致整个装置的破坏的疑虑，就安全性等观点而言，欠佳。
[0004]因此，开发出将氮化物半导体FET常断开化的技术，即，使阈值电压为正值的技术。作为该技术之一，已知于闸极电极与导电通道之间设置电荷储存用浮动闸极电极的方法(参照专利文献1：日本特开2020
‑
092193号专利)。图10中示出现有技术的氮化物半导体HEMT的构造。于基板1001上依序沉积缓冲层1002、GaN层1003、AlGaN层1004，于GaN层1003与AlGaN层1004的界面的GaN层1003侧形成导电通道1010。进而，于AlGaN层1004上隔着第一绝缘膜1005形成电荷储存用闸极电极1006，进而，于其上隔着第二绝缘膜1011形成闸极电极1012。并且，在水平方向上隔着电荷储存用闸极电极1006形成源极电极1008、汲极电极1009。源极电极1008、汲极电极1009均于由元件分离区域1014包围的区域内电性连接于导电通道1010。将第二绝缘膜1011作为电容膜于闸极电极1012与电荷储存用闸极电极1006之间形成的电容称为第二电容。进而，将第一绝缘膜1005作为电容膜于电荷储存用闸极电极1006与存在于导电通道1010的闸极电极下部的闸极电极部导电载子1013之间形成的电容称为第三电容。施加于闸极电极1012的电压经由串联连接的上述第二电容与上述第三电容而与闸极电极部导电载子1013电容性耦合，可改变其载子数。借此，可调节流经源极电极1008与汲极电极1009之间的电流，从而可获得作为FET的动作。于现有技术实施例中，进而设置电荷注入用电极1007，隔着第三绝缘膜1015与电荷储存用闸极电极1006之间形成第一电容。图11A是示意性地表示图10所示的氮化物半导体HEMT的一部分的图。并且，图11B至图11F的图是表示图11A所示的记号，即闸极电极1012的内部A、电荷储存用闸极电极1006的内部B、GaN层1003的内部C、电荷注入用电极1007的内部D的各者的剖面的传导带下端(Ec)及
价带上端(Ev)的能量的图。A(1012)、B(1006)、D(1007)表示各个部位的金属的费米能阶。图11B是没有来自外部的施加电压的状态下的图。因AlGaN层1004极化，传导体下端及价带上端的能量倾斜，结果，GaN层1003的传导带下端的能量在与AlGaN层1004的界面处变得低于费米能阶1104，从而产生闸极电极部导电载子1013。也即，FET为常导通。此处，以上述第一电容充分小于上述第二电容的方式来选择各个电极面积以及第二绝缘膜1011、第三绝缘膜1015的介电常数及厚度。于此情形时，于图11C中，当箭头所示的正电压1101以电荷注入用电极1007为基准被施加于闸极电极1012时，上述第二电容所引起的与闸极电极1012的较强的电容耦合会使电荷储存用闸极电极1006的电位也上升，电荷储存用闸极电极1006内的传导电子的位能下降。如此一来，电荷储存用闸极电极1006与电荷注入用电极1007之间的电位差变大，对第三绝缘膜1015施加高电场，图11C中箭头所示的传导电子的穿隧电流1102流向上述第一电容。其结果，负电荷1103被储存于电荷储存用闸极电极1006。再者，根据第三绝缘膜1015的种类，传导电洞有时也会从电荷储存用闸极电极1006穿隧第三绝缘膜1015而成为流经上述第一电容的电流。于此情形时，也同样地将负电荷储存于电荷储存用闸极电极1006中。以下，于本专利技术说明书中，仅对传导电子穿隧的情形进行说明。图11D是表示于储存负电荷1103之后停止施加正电压1101的状态下的传导带下端及价带上端的能量的图。因负电荷1103，电荷储存用闸极电极1006内的传导电子的位能上升，伴随于此，AlGaN层1004及GaN层1003的传导带下端及价带上端的能量提升，因此GaN层1003的传导带下端的能量变得高于费米能阶1104，而闸极电极部导电载子1013消失。即，氮化物半导体HEMT常断开化。
[0005]对本专利技术所欲解决的第一问题进行说明。关于图10所示的氮化物半导体FET，假定电荷注入用电极1007也与其他电极同样地连接于外部端子，且始终连接于外部电路的情形。难以将与电荷注入用电极1007连接的外部端子的电位完全绝缘，通常残存有向接地电位的泄漏电路。图11E是电荷注入用电极1007及闸极电极1012的电位均为零的情形。于电荷储存用闸极电极1006中储存有负电荷1103以使FET为常断开，因此电荷储存用闸极电极1006与电荷注入用电极1007之间会产生电位差，第三绝缘膜1015中的传导带下端及价带上端的能量倾斜，从而于第三绝缘膜1015内产生与注入电荷时反方向的电场。即，于上述第一电容的电极间产生与储存负电荷时相反符号的电位差。进而，例如于将FET用作电力用开关时，在导通断开动作中会因FET或开关驱动电路的各种电抗成分而产生动态的电压变动，有时图11F中箭头所示的负电压1104以电荷注入用电极1007为基准被施加于闸极电极1012。于此情形时，上述第二电容所引起的较强的电容耦合会使电荷储存用闸极电极1006的电位进一步下降，电荷储存用闸极电极1006与电荷注入用电极1007之间的电位差变大。结果，因第三绝缘膜1015中的强电场而产生穿隧电流1105，所储存的负电荷1103向电荷注入用电极1007逆流。其结果，阈值电压向负方向恢复，保持常断开动作所需的正阈值电压的时间变短。
[0006]其次，对本专利技术所欲解决的第二问题进行说明。通常，FET为三端子元件，以源极电极、汲极电极、闸极电极的合计三个电极进行动作，但于上述先前例中加入了电荷注入用电极1007，电极合计为4个。因此，当自外部端子供给电压时需要4个本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种场效型电晶体装置，其特征在于，具有：半导体；导电通道，其设置于所述半导体内或其表面；第一绝缘膜，其接近所述导电通道而设置；电荷储存用闸极电极，其至少一部分设置于所述第一绝缘膜中的与所述导电通道相反的一侧；第二绝缘膜，其设置于所述电荷储存用闸极电极中的与所述第一绝缘膜相反的一侧；闸极电极，其至少一部分设置于所述第二绝缘膜中的与所述电荷储存用闸极电极相反的一侧；源极电极及汲极电极，隔着所述电荷储存用闸极电极设置于所述半导体上且与所述导电通道电性连接；电荷注入用电极，其借助与所述电荷储存用闸极电极的电容耦合而形成第一电容；及积层膜，其设置于所述电荷注入用电极与所述电荷储存用闸极电极之间且包含第三绝缘膜与第一半导体层；且借助流经所述第一电容的第一电流而于上述电荷储存用闸极电极中储存电荷；且所述第一电流的至少一部分穿过上述积层膜而流动。2.如权利要求1所述的场效型电晶体装置，其特征在于，所述半导体为氮化物半导体。3.如权利要求1或2所述的场效型电晶体装置，其特征在于，所述积层膜被设置为使所述第三绝缘膜的至少一部分朝向所述电荷储存用闸极电极，及所述第一半导体层的至少一部分朝向所述电荷注入用电极，且所述第一半导体层含有n型杂质。4.如权利要求1或2所述的场效型电晶体装置，其特征在于，所述积层膜被设置为使所述第三绝缘膜的至少一部分朝向所述电荷注入用电极，及所述第一半导体层的至少一部分朝向所述电荷储存用闸极电极，且所述第一半导体层含有p型杂质。5.一种场效型电晶体装置，其特征在于，具有：半导体；导电通道，其设置于所述半导体内或其表面；第一绝缘膜，其接近所述导电通道而设置；电荷储存用闸极电极，其至少一部分设置于所述第一绝缘膜中的与所述导电通道相反的一侧；第二绝缘膜，其设置于所述电荷储存用闸极电极中的与所述第一绝缘膜相反的一侧；闸极电极，其至少一部分设置于所述第二绝缘膜中的与所述电荷储存用闸极电极相反的一侧；以及源极电极及汲极电极，隔着所述电荷储存用闸极电极设置于所述半导体上且与所述导电通道电性连接；且所述源极电极或所述汲极电极借助与所述电荷储存用闸极电极之间的电容耦合而形成第一电容；且借助流经所述第一电容的第一电流而于所述电荷储存用闸极电极中储存电荷。6.如权利要求5所述的场效型电晶体装置，其特征在于，所述半导体为氮化物半导体。7.如权利要求5或6所述的场效型电晶体装置，其具有积层膜，该积层膜设置于形成所述第一电容的所述源极电极或所述汲极电极与所述电荷储存用闸极电极之间且包含第三绝缘膜与第一半导体层；且所述第一电流的至少一部分穿过所述积层膜而流动。8.如权利要求7所述的场效型电晶体装置，其特征在于，所述积层膜被设置为使所述第三绝缘膜的至少一部分朝向所述电荷储存用闸极电极，及所述第一半导体层的至少一部分朝向形成所述第一电容的所述源极电极或所述汲极电极，且所述第一半导体层含有n型杂质。9.如权利要求7所述的场效型电晶体装置，其特征在于，所述积层膜被设置为使所述第三绝缘膜的至少一部分朝向形成所述第一电容的所述源极电极或汲极电极，及所述第一半导体层的至少一部分朝向所述电荷储存用闸极电极，且所述第一半导体层含有p型杂...

【专利技术属性】
技术研发人员：高谷信一郎，白田理一郎，
申请(专利权)人：白田理一郎，
类型：发明
国别省市：