[发明专利]场效应晶体管

说明书

技术领域

本发明涉及采用了例如在民用设备的电源电路等中用到的功率晶体管所能适用的III族氮化物半导体的场效应晶体管。

背景技术

以氮化镓(GaN)为代表的化合物半导体、即III族氮化物半导体与硅(Si)或者砷化镓(GaAs)等相比，带隙、绝缘击穿电场以及电子饱和漂移速度均大。另外，在由形成在以面方位的(0001)面(＝C面)为主面的基板上的氮化铝镓(AlGaN)/氮化镓(GaN)构成的异质结结构中，因自发极化以及压电极化会在异质结界面产生二维电子气(2-Dimensional Electron Gas：2DEG)，即便没有掺杂杂质，也可获得1×10¹³cm^-2以上的薄层载流子浓度。将该高浓度的二维电子气用作载流子的场效应晶体管(Field Effect Transistor：FET)近年来备受关注，从而提出了各种结构。

GaN系FET虽然能够实现损耗少的功率晶体管，但是由于元件面积较大，因此较之高价的蓝宝石基板更期望在硅(Si)或者石墨(C)等廉价的导电性基板上成膜。然而，若在这些异种基板上使GaN系的氮化物半导体成膜，则因基板与氮化物半导体的晶格常数以及热膨胀率的差异，容易产生氮化物半导体的膜厚越大则晶片越容易翘起或者在生长后的半导体膜中出现裂缝这样的问题。为此，以尽可能薄的膜厚确保耐压以及可靠性很重要。

图12表示现有技术中的具有AlGaN/GaN异质结结构的场效应型晶体管的示意性剖面结构(例如，参照专利文献1。)。

如图12所示，现有技术中的采用了III族氮化物半导体的场效应晶体管具有在基板11上依次形成的、低温GaN缓冲层12、由GaN或者AlGaN构成的高电阻缓冲层13、未掺杂GaN层14以及未掺杂AlGaN层15。在未掺杂AlGaN层15上形成有由Ti以及Al构成的源电极16以及漏电极18。进而，由Ni、Pt以及Au构成的栅电极17形成于未掺杂AlGaN层15上的源电极16与漏电极18之间的区域中。

具有这种结构的场效应晶体管将形成于未掺杂AlGaN层15与未掺杂GaN层14之间的界面处的二维电子气用作载流子。如果在源电极16与漏电极18之间施加电压，则沟道内的电子从源电极16朝向漏电极18移动。此时，控制施加给栅电极17的电压，通过改变未掺杂AlGaN层15中的栅电极17正下方的耗尽层的厚度，从而能够控制从源电极16向漏电极18移动的电子、即漏极电流。

已知在采用了GaN系半导体的FET中，可观测到被称作电流崩塌的现象，故在器件工作时会成为问题。该现象是一旦在源极与漏极之间、源极与栅极之间或者漏极与基板之间等施加较强的电场，则之后源极与漏极之间的沟道电流减少的现象。在专利文献1中，使导通状态下的漏极与源极之间的电压在0V～10V以及0V～30V内进行扫描，并将所获得的电流值的比率定义为电流崩塌值。另外，还记载了如果将向高电阻缓冲层13添加的碳的浓度设为10¹⁷cm^-3以上且10²⁰cm^-3以下、或者将从二维电子气层到高电阻缓冲层13的上表面为止的厚度(以下称作沟道层)设为0.05μm以上，则电流崩塌成为在实用上不会成为问题的水平。另一方面，记载了如果将高电阻缓冲层13的碳浓度设为10¹⁷cm^-3以上、且沟道层的厚度设为1μm以下，则也能够确保商用电源所需的耐压400V以上。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2007-251144号公报

非专利文献

非专利文献1：Kazuaki Kunihiro，Kensuke Kasahara，Yuji Takahashi，and Yasuo Ohno，″Experimental Evaluation of Impact Ionization Coefficients in GaN″，IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS，VOL.20，NO.12，p.609，1999.

发明内容

(发明想要解决的问题)

在上述的现有例中，利用基于导通状态下的电压扫描的测量来定义电流崩塌，并设定了沟道层的厚度的下限值等。