[發明專利]場效型電晶體裝置

在審

• 申請號: 202211635228.9
• 申請日: 2022-12-19
• 公開（公告）號: CN116344611A
• 公開（公告）日: 2023-06-27
• 發明（設計）人: 高谷信一郎;白田理一郎
• 申請（專利權）人: 高谷信一郎;白田理一郎
• 主分類號: H01L29/778
• 分類號: H01L29/778
• 代理公司: 北京匯智英財專利代理有限公司 11301
• 代理人: 何暉

本發明提供一種閾值電壓的變動較少或動作所需的電極數較少的常斷開場效型電晶體裝置。本發明的場效型電晶體裝置具有：閘極電極構造，其包含于半導體上依序積層的第一絕緣膜、電荷儲存用閘極電極、第二絕緣膜、閘極電極；及第一電容，其是借助電荷儲存用閘極電極與源極電極之間的電容耦合而形成；且借助流經上述第一電容的第一電流而于電荷儲存用閘極電極中儲存電荷；于源極電極與電荷儲存用閘極電極之間具有包含第三絕緣膜與第一半導體層的積層膜；上述第一電流的至少一部分穿過上述積層膜而流動。

技術領域

本發明是關于一種半導體電晶體裝置，尤其是關于一種對于場效型電晶體，實現常斷開的場效型電晶體裝置，所謂常斷開是指于不對閘極電極施加電壓的狀態下，閘極電極下的導電通道實質上成為斷開狀態。

背景技術

具有寬帶隙的半導體可用于在高電壓下動作的電子裝置。其中，包含GaN、AlN、InN、ScN等氮化物或其等的混晶的氮化物半導體不僅帶隙較寬，而且傳導電子的遷移率較高，因此適合高電壓高輸出電子裝置。尤其，使用氮化物半導體制成的場效型電晶體(FET，Field?Effect?Transistor)、及作為其一個形態的將AlGaN/GaN等半導體異質接面界面處所誘導的傳導電子用作導電通道的高電子遷移率電晶體(HEMT，High?Electron?MobilityTransistor)，能夠利用高電壓、大電流、低導通電阻進行動作，并被用作電力用開關或高頻電力放大器用電晶體。

然而，通常的氮化物半導體FET是所謂的常導通型，于不對閘極電極施加電壓的狀態下，閘極電極下的導電通道為導通狀態。即，將流經源極電極與汲極電極之間的電流阻斷的閘極電壓、即所謂的閾值電壓為負值。例如，于將氮化物半導體FET作為電力用開關而用于電源裝置等的情形時，當施加于閘極電極的控制電壓因誤動作等而丟失時，開關打開。該情況會導致整個裝置的破壞的疑慮，就安全性等觀點而言，欠佳。

因此，開發出將氮化物半導體FET常斷開化的技術，即，使閾值電壓為正值的技術。作為該技術之一，已知于閘極電極與導電通道之間設置電荷儲存用浮動閘極電極的方法(參照專利文獻1：日本特開2020-092193號專利)。圖10中示出現有技術的氮化物半導體HEMT的構造。于基板1001上依序沉積緩沖層1002、GaN層1003、AlGaN層1004，于GaN層1003與AlGaN層1004的界面的GaN層1003側形成導電通道1010。進而，于AlGaN層1004上隔著第一絕緣膜1005形成電荷儲存用閘極電極1006，進而，于其上隔著第二絕緣膜1011形成閘極電極1012。并且，在水平方向上隔著電荷儲存用閘極電極1006形成源極電極1008、汲極電極1009。源極電極1008、汲極電極1009均于由元件分離區域1014包圍的區域內電性連接于導電通道1010。將第二絕緣膜1011作為電容膜于閘極電極1012與電荷儲存用閘極電極1006之間形成的電容稱為第二電容。進而，將第一絕緣膜1005作為電容膜于電荷儲存用閘極電極1006與存在于導電通道1010的閘極電極下部的閘極電極部導電載子1013之間形成的電容稱為第三電容。施加于閘極電極1012的電壓經由串聯連接的上述第二電容與上述第三電容而與閘極電極部導電載子1013電容性耦合，可改變其載子數。借此，可調節流經源極電極1008與汲極電極1009之間的電流，從而可獲得作為FET的動作。于現有技術實施例中，進而設置電荷注入用電極1007，隔著第三絕緣膜1015與電荷儲存用閘極電極1006之間形成第一電容。圖11A是示意性地表示圖10所示的氮化物半導體HEMT的一部分的圖。并且，圖11B至圖11F的圖是表示圖11A所示的記號，即閘極電極1012的內部A、電荷儲存用閘極電極1006的內部B、GaN層1003的內部C、電荷注入用電極1007的內部D的各者的剖面的傳導帶下端(Ec)及價帶上端(Ev)的能量的圖。A(1012)、B(1006)、D(1007)表示各個部位的金屬的費米能階。圖11B是沒有來自外部的施加電壓的狀態下的圖。因AlGaN層1004極化，傳導體下端及價帶上端的能量傾斜，結果，GaN層1003的傳導帶下端的能量在與AlGaN層1004的界面處變得低于費米能階1104，從而產生閘極電極部導電載子1013。也即，FET為常導通。此處，以上述第一電容充分小于上述第二電容的方式來選擇各個電極面積以及第二絕緣膜1011、第三絕緣膜1015的介電常數及厚度。于此情形時，于圖11C中，當箭頭所示的正電壓1101以電荷注入用電極1007為基準被施加于閘極電極1012時，上述第二電容所引起的與閘極電極1012的較強的電容耦合會使電荷儲存用閘極電極1006的電位也上升，電荷儲存用閘極電極1006內的傳導電子的位能下降。如此一來，電荷儲存用閘極電極1006與電荷注入用電極1007之間的電位差變大，對第三絕緣膜1015施加高電場，圖11C中箭頭所示的傳導電子的穿隧電流1102流向上述第一電容。其結果，負電荷1103被儲存于電荷儲存用閘極電極1006。再者，根據第三絕緣膜1015的種類，傳導電洞有時也會從電荷儲存用閘極電極1006穿隧第三絕緣膜1015而成為流經上述第一電容的電流。于此情形時，也同樣地將負電荷儲存于電荷儲存用閘極電極1006中。以下，于本發明說明書中，僅對傳導電子穿隧的情形進行說明。圖11D是表示于儲存負電荷1103之后停止施加正電壓1101的狀態下的傳導帶下端及價帶上端的能量的圖。因負電荷1103，電荷儲存用閘極電極1006內的傳導電子的位能上升，伴隨于此，AlGaN層1004及GaN層1003的傳導帶下端及價帶上端的能量提升，因此GaN層1003的傳導帶下端的能量變得高于費米能階1104，而閘極電極部導電載子1013消失。即，氮化物半導體HEMT常斷開化。