JP2010087076A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、半導体装置の構造に関し、特にGaN−HEMT(High Electron Mobility Transistor)のオーミックコンタクト抵抗を低減する構造に関する。 The present invention relates to a structure of a semiconductor device, and more particularly to a structure for reducing ohmic contact resistance of a GaN-HEMT (High Electron Mobility Transistor).
従来から、2次元電子ガス層(以下、2DEG層とも称する)を電流通路として使用した電界効果トランジスタとして、HEMTが周知である。そして、HEMTでは、オーミックコンタクト抵抗を低減することが素子特性の向上のための重要な要因となっている。特にGaN−HEMTでは、強固な結晶構造を有するGaNを母体としたエネルギーバンドギャップの大きい下地を用いるため、下地とオーミック金属材料との合金化を行うために大きなエネルギーを必要とする。そのため、合金化によるオーミックコンタクトがとれにくく、また、バンドギャップが大きいためにオーミックコンタクト抵抗が大きくなる。従って、特にGaN−HEMTにおいては、オーミックコンタクト抵抗を大幅に低減することが望まれている。 Conventionally, a HEMT is well known as a field effect transistor using a two-dimensional electron gas layer (hereinafter also referred to as a 2DEG layer) as a current path. In HEMT, reducing ohmic contact resistance is an important factor for improving device characteristics. In particular, in the GaN-HEMT, since a base having a large energy band gap based on GaN having a strong crystal structure is used, a large amount of energy is required for alloying the base and the ohmic metal material. Therefore, ohmic contact due to alloying is difficult to take, and the ohmic contact resistance increases due to the large band gap. Therefore, in particular, in GaN-HEMT, it is desired to greatly reduce the ohmic contact resistance.
HEMTにおいて、オーミックコンタクト抵抗を低減するために、オーミック電極が下地の活性領域にオーミックコンタクト接触する領域の、ゲート幅方向に沿った幅WC(以下、コンタクト幅WCとも称する)を、ゲート幅WGよりも短く設定する構造が周知である(例えば、特許文献1、特許文献2、及び非特許文献1参照)。
In HEMT, in order to reduce the ohmic contact resistance, the region where the ohmic electrode in ohmic contact contacts the active region of the base, the width W C (hereinafter, also referred to as the contact width W C) along the gate width direction, the gate width W is a well-known structure to set shorter than the G (e.g., see
特許文献1では、GaAs層を電子走行層とし、また、AlGaAs層を電子供給層として用いたGaAs−HEMTにおいて、コンタクト幅WCを、ゲート幅WGよりも短く設定することによって、オーミックコンタクト抵抗を低減する構造が開示されている。この特許文献1によるGaAs−HEMTでは、オーミック電極と活性領域とが重なる領域の、ゲート幅方向に沿った幅、すなわち実質的なコンタクト幅WCと、ゲート電極と活性領域とが重なる領域の、ゲート幅方向に沿った幅、すなわち実質的なゲート幅WGとが、1(μm)+WG<WC<5WGを満足するように、活性領域、ゲート電極、及びオーミック電極を形成している。
In
また、特許文献2では、GaN層を電子走行層とし、また、AlGaN層を電子供給層として用いたGaN−HEMTにおいて、上述した特許文献1と同様に、コンタクト幅をゲート幅よりも大きく設定することによって、オーミックコンタクト抵抗を低減する構造が開示されている。この特許文献2によるGaN−HEMTでは、オーミック電極の、ゲート電極と対向する側面を凹凸面とすることによって、実質的なコンタクト幅WCを、ゲート幅WGよりも大きく設定している。
In Patent Document 2, in the GaN-HEMT using a GaN layer as an electron transit layer and using an AlGaN layer as an electron supply layer, the contact width is set larger than the gate width as in
また、特許文献2によるGaN−HEMTでは、オーミック電極を下地の上側表面から下地内へ、2次元電子ガス層よりも深い位置まで貫いて形成している。このようにオーミック電極を形成することによって、特許文献2によるGaN−HEMTでは、オーミック電極は、2次元電子ガス層との間において直接的にオーミックコンタクトをとる。このような構造を採用することによって、特許文献2によるGaN−HEMTでは、オーミック電極及び下地間における接触比抵抗を著しく低減することができる。その結果、特許文献2によるGaN−HEMTでは、上述したコンタクト幅WCをゲート幅WGよりも大きく設定する構成と相俟って、効率よくオーミックコンタクト抵抗が低減される。 Moreover, in GaN-HEMT by patent document 2, the ohmic electrode is penetrated and formed in the base from the upper surface of the base to a deeper position than the two-dimensional electron gas layer. By forming the ohmic electrode in this manner, in the GaN-HEMT according to Patent Document 2, the ohmic electrode makes an ohmic contact directly with the two-dimensional electron gas layer. By adopting such a structure, the GaN-HEMT according to Patent Document 2 can remarkably reduce the contact specific resistance between the ohmic electrode and the base. As a result, the GaN-HEMT according to Patent Document 2, structure coupled with the set larger than the gate width W G of the contact width W C described above, effectively the ohmic contact resistance is reduced.
また、非特許文献1によるGaN−HEMTでは、ゲート電極下側の活性領域の一部領域にトレンチを形成することによって、ゲート幅WGを短縮している。非特許文献1によるGaN−HEMTでは、ゲート電極の下側に、ゲート幅方向に沿って互いに離間した複数のトレンチを形成している。その結果、非特許文献1によるGaN−HEMTでは、これらトレンチが形成されている領域ではゲート電極と活性領域とが接触しておらず、実質的なゲート幅WCは短縮される。そのため、非特許文献1によるGaN−HEMTでは、コンタクト幅WCがゲート幅WGよりも大きくなる。
Furthermore, the GaN-HEMT according to
また、HEMTのオーミックコンタクト抵抗を低減する他の方法として、下地の最上層に、高濃度でSiを導入したGaN層をキャップ層として形成する技術が周知である(例えば、非特許文献2参照)。この非特許文献2に係る構造では、GaN−HEMTにおいて、コンタクト幅WCの単位幅当たりのオーミックコンタクト抵抗を0.5Ω/mmまで低減している。
ところで、この発明に係る発明者が種々検討したところ、GaN−HEMTの素子特性を十分に引き出すためには、コンタクト幅WCの単位幅当たりのオーミックコンタクト抵抗を0.1Ω/mm以下に低減するのが好ましいという結論に達した(この詳細は、後述する第1の実施の形態において説明する)。 However, when the inventors of this invention made various investigations, in order to pull out the element characteristics of the GaN-HEMT sufficiently reduces the ohmic contact resistance per unit width of the contact width W C below 0.1 [Omega / mm (The details will be described in the first embodiment to be described later).
しかしながら、既に説明したように、GaN−HEMTは、エネルギーバンドギャップが大きいため、GaN−HEMTにおいてオーミックコンタクト抵抗の低減を図る場合、上述した特許文献1、特許文献2、非特許文献1、及び非特許文献2に係る構造では不十分である。
However, as described above, since the GaN-HEMT has a large energy band gap, when the ohmic contact resistance is reduced in the GaN-HEMT, the above-mentioned
特許文献1では、GaAs−HEMTにおいてオーミックコンタクト抵抗を低減する構造を開示している。しかし、特許文献1に係る構造では、GaN−HEMTと比してエネルギーバンドギャップの小さいGaAs−HEMTにおいては良好なオーミックコンタクト抵抗を得ることができるが、この構造をGaN−HEMTに適用した場合には、オーミックコンタクト抵抗を0.1Ω/mm以下に低減することができない。
また、特許文献2、非特許文献1、非特許文献2に係るいずれの構造においても、オーミックコンタクト抵抗を0.1Ω/mm以下に低減するに当たり、その構造に改善の余地がある。
In any structure according to Patent Document 2,
この発明の目的は、GaN−HEMTにおいて、オーミックコンタクト抵抗を0.1Ω/mm以下に低減することが可能な半導体装置の構造を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a structure of a semiconductor device capable of reducing ohmic contact resistance to 0.1 Ω / mm or less in a GaN-HEMT.
上述の目的の達成を図るため、この発明によれば、半導体装置は以下の特徴を有している。 In order to achieve the above object, according to the present invention, a semiconductor device has the following characteristics.
すなわち、この発明による半導体装置は、GaN層、及びこのGaN層に起因して発生した活性領域を含む下地を具えている。また、半導体装置は、活性領域上に形成されているゲート電極を具えている。また、半導体装置は、活性領域に形成されており、ゲート電極を挟んで互いに離間しかつ対向して形成されている第1及び第2主電極を具えている。 That is, the semiconductor device according to the present invention includes a GaN layer and a base including an active region generated due to the GaN layer. The semiconductor device includes a gate electrode formed on the active region. In addition, the semiconductor device includes first and second main electrodes that are formed in the active region and are spaced apart from and opposed to each other with the gate electrode interposed therebetween.
そして、第1及び第2主電極と活性領域とが重なる第1及び第2重なり領域の、ゲート幅方向に沿った幅WC1及び幅WC2は、ゲート電極と活性領域とが重なる第3重なり領域の、ゲート幅方向に沿った幅WGの10倍以上である。 The width W C1 and the width W C2 along the gate width direction of the first and second overlapping regions where the first and second main electrodes and the active region overlap are the third overlap where the gate electrode and the active region overlap. region is at least 10 times the width W G along the gate width direction.
この発明による半導体装置では、第1及び第2重なり領域の、ゲート幅方向に沿った幅WC1及び幅WC2、すなわち実質的なコンタクト幅WC1及びWC2を、第3重なり領域の、ゲート幅方向に沿った幅WG、すなわち実質的なゲート幅WGの10倍以上とする。その結果、コンタクト幅WC1及びWC2とゲート幅WGとを同一とした場合のHEMTと比して、単位幅当たりのオーミックコンタクト抵抗を1/10以下とすることができる。従って、例えば上述した非特許文献2によるGaN−HEMTのように、単位幅当たりのオーミックコンタクト抵抗が0.1Ω/mmよりも大きく、かつ1.0Ω/mm以下であるデバイスに対して、この発明に係る構造を適用することによって、単位幅当たりのオーミックコンタクト抵抗を0.1Ω/mm以下に低減することができる。 In the semiconductor device according to the present invention, the widths W C1 and W C2 along the gate width direction of the first and second overlapping regions, that is, the substantial contact widths W C1 and W C2 are set to the gates of the third overlapping region. The width W G along the width direction, that is, 10 times or more the substantial gate width W G is set. As a result, the contact width W C1 and W C2 and the gate width W G than the HEMT in the case of the same, the ohmic contact resistance per unit width may be less than 1/10. Therefore, the present invention is applied to a device having an ohmic contact resistance per unit width larger than 0.1 Ω / mm and 1.0 Ω / mm or less, such as the GaN-HEMT according to Non-Patent Document 2 described above. By applying the structure according to the above, the ohmic contact resistance per unit width can be reduced to 0.1 Ω / mm or less.
以下、図面を参照して、この発明に係る半導体装置、及び半導体装置の製造方法について説明する。なお、各図は、この発明が理解できる程度に、各構成要素の形状、大きさ、及び配置関係を概略的に示してあるに過ぎない。従って、この発明の構成は、何ら図示の構成例にのみ限定されるものではない。 A semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device according to the present invention will be described below with reference to the drawings. Each drawing merely schematically shows the shape, size, and arrangement relationship of each component to the extent that the present invention can be understood. Therefore, the configuration of the present invention is not limited to the illustrated configuration example.
〈第1の実施の形態〉
第1の実施の形態では、GaN−HEMTにおけるコンタクト幅WC1及びWC2がゲート幅WGの10倍以上である半導体装置について説明する。
<First Embodiment>
In the first embodiment, the contact width W C1 and W C2 of the GaN-HEMT is described semiconductor device is 10 times the gate width W G.
図1(A)は、この発明の第1の実施の形態を説明する概略図であり、下地を上側表面、すなわちFET等の素子が形成されている面から見た平面図である。また、図1(B)は図1(A)に示すI−I線における切り口を矢印方向から見た端面図である。なお、通常、実際の半導体装置では、図1(A)及び(B)に示す構造体の上側に、例えば層間絶縁層、上部配線層等の上層が形成されているが、これら図1(A)及び(B)では、第1の実施の形態に係る特徴部分を明瞭に示すためにそれらの上層を省略している。 FIG. 1A is a schematic diagram for explaining a first embodiment of the present invention, and is a plan view of a base as viewed from an upper surface, that is, a surface on which an element such as an FET is formed. FIG. 1B is an end view of the cut along the line II shown in FIG. Normally, in an actual semiconductor device, an upper layer such as an interlayer insulating layer or an upper wiring layer is formed above the structure shown in FIGS. 1A and 1B. In (B) and (B), in order to clearly show the characteristic portions according to the first embodiment, the upper layers thereof are omitted.
第1の実施の形態による半導体装置は、活性領域11aを含む下地13を具えている。
The semiconductor device according to the first embodiment includes a base 13 including an
下地13は、従来周知のAlGaN/GaNのヘテロ接合面を有する半導体基板である。すなわち、下地13は、電子走行層として形成されているGaN層19、及びこのGaN層19上に電子供給層として形成されているAlGaN層21を含む。より詳細には、下地13は、まず、例えばSi、SiC、またはサファイア等で構成された基板23、及びこの基板23の上側に周知のMOCVD法によって形成された例えばAlNまたはGaN等のバッファ層25を具えている。そして、このバッファ層25の上側に電子走行層として不純物無添加のGaN層19、及び電子供給層として不純物無添加のAlGaN層21が周知のMOCVD法、またはMBE法によって順次形成されている。このような積層構造を形成すると、GaN層19とAlGaN層21とのエネルギーバンドギャップの違いから、GaN層19内のAlGaN層21との境界付近に、電流通路となる2次元電子ガス層(以下、2DEG層とも称する)27が形成される。この2DEG層27は、GaN層19の厚み方向に垂直に面状に形成されている。そして、活性領域11aは、下地13において、このGaN層21に起因して発生した2DEG層27に対応した領域として形成されている。従って、言い換えれば、2DEG層27は、下地13中に、活性領域11aに渡って面状に形成されている。なお、下地13における活性領域11aの形状、すなわち下地13の厚み向に対して垂直な面における平面形状については、後に詳細を説明する。
The base 13 is a semiconductor substrate having a conventionally known heterojunction surface of AlGaN / GaN. That is, the base 13 includes a GaN layer 19 formed as an electron transit layer and an
そして、第1の実施の形態による半導体装置では、この下地13と、下地13の活性領域11aに形成されているゲート電極15、第1及び第2主電極17a及び17bとからGaN−HEMTが構成されている。
In the semiconductor device according to the first embodiment, the GaN-HEMT is composed of the base 13, the
ゲート電極15は、例えばNi及びAuを材料として、活性領域11a上に形成されている。
The
第1及び第2主電極17a及び17bは、2DEG層27とオーミックコンタクトをとるためのオーミック電極として機能する。従って、第1及び第2主電極17a及び17bは、一方がソース電極、また他方がドレイン電極として機能する。そのために、これら第1及び第2主電極17a及び17b例えばTi及びAlを材料として、活性領域11a内にゲート電極15を挟んで互いに離間しかつ対向して形成されている。
The first and second
また、第1及び第2主電極17a及び17bは、下地13の上側表面13aから下地13内へと2DEG層27よりも深い位置まで貫いて形成されている。第1の実施の形態による半導体装置では、このように第1及び第2主電極17a及び17bを形成することによって、第1及び第2主電極17a及び17bと2DEG層27とが直接接した構造となり、その結果、第1及び第2主電極17a及び17bと2DEG層27との間において直接的にオーミックコンタクトをとることができる。そのため、例えば活性領域11a上にオーミック電極を形成する構造を採用した場合と比して、第1及び第2主電極17a及び17b及び活性領域11a間における接触比抵抗を低減することができる。その結果、第1の実施の形態による半導体装置は、第1及び第2主電極17a及び17bと2DEG層27との間に発生するオーミックコンタクト抵抗の低減において有利な構造となる。
The first and second
また、このように第1及び第2主電極17a及び17bと2DEG層27との間において直接的にオーミックコンタクトをとることによって、第1の実施の形態による半導体装置では、オーミックコンタクト抵抗の値は、第1及び第2主電極17a及び17bと活性領域11aが重なる第1及び第2重なり領域29a及び29bの、矢印で示したゲート幅方向31に沿った幅(以下、コンタクト幅とも称する)WC1及びWC2のみに依存する。従って、第1及び第2重なり領域29a及び29bの矢印で示したゲート長方向33に沿った長さ(以下、コンタクト長とも称する)LC1及びLC2を設計に応じて自由に設定することができる。ここで、一般的にHEMTでは、動作遅延等の特性劣化を防止するために、第1及び第2主電極17a及び17bと活性領域11aとの間におけるパッド容量を100fF/μm2以下に抑えるのが好ましい。そして、このパッド容量は、第1及び第2重なり領域29a及び29bの面積に比例する。そこで、第1の実施の形態では、第1及び第2重なり領域29a及び29bのゲート長方向33に沿った長さLC1及びLC2を短く設定することによって、第1及び第2重なり領域29a及び29bの面積を縮小し、パッド容量を抑制する。より具体的には、確実にパッド容量を100fF/μm2以下に抑制するために、長さLC1及びLC2を0.5〜10.0μmとするのが好ましい。
In addition, by making an ohmic contact directly between the first and second
また、第1の実施の形態による半導体装置では、オーミックコンタクト抵抗を低減するために、第1及び第2主電極17a及び17bが活性領域11aとの間でオーミックコンタクトをとる領域のゲート幅方向31に沿った幅、すなわち上述したコンタクト幅WC1及びWC2を、ゲート幅WG、すなわちゲート電極15と活性領域11aとが重なる第3重なり領域35の、ゲート幅方向31に沿った幅WGよりも大きく設定する。
In the semiconductor device according to the first embodiment, in order to reduce ohmic contact resistance, the
ところで、図2は、シミュレーションによって得た、GaN−HEMTにおけるオーミックコンタクト抵抗とドレイン電流との相関関係を示した図である。図2において、縦軸はコンタクト幅における単位当たりのドレイン電流をmA/mm単位で目盛ってある。また、横軸は、コンタクト幅における単位当たりのオーミックコンタクト抵抗をΩ/mmで目盛ってある。そして、図2における曲線37は、シート抵抗が500Ω/□であるGaN−HEMTを想定し、Vg(ゲート電圧)=0V、及びVds(ソース−ドレイン電圧)=10Vの条件下においてシミュレーションを行った結果を示している。なお、このシミュレーションは、周知のGateway PISCES ver3.2を用いて行った。 FIG. 2 is a diagram showing the correlation between the ohmic contact resistance and the drain current in the GaN-HEMT obtained by simulation. In FIG. 2, the vertical axis indicates the drain current per unit in the contact width in units of mA / mm. The horizontal axis is a scale of ohmic contact resistance per unit in contact width in Ω / mm. 2 assumes a GaN-HEMT having a sheet resistance of 500Ω / □, and the simulation is performed under the conditions of V g (gate voltage) = 0V and V ds (source-drain voltage) = 10V. The results are shown. In addition, this simulation was performed using well-known Gateway PISCES ver3.2.
図2の結果から明らかなように、単位当たりのオーミックコンタクト抵抗が0.1Ω/mm以下となると、単位幅当たりのドレイン電流が飽和することが分かる。これに対し、単位当たりのオーミックコンタクト抵抗が0.1Ω/mmよりも大きくなると、著しくドレイン電流が低下することが分かる。従って、この図2の結果から、GaN−HEMTにおいて、単位当たりのオーミックコンタクト抵抗を0.1Ω/mm以下まで低減すれば、2DEG層に印加された電圧がオーミックコンタクト抵抗によって降下するのを防止できることが分かる。 As is apparent from the results of FIG. 2, it can be seen that when the ohmic contact resistance per unit is 0.1 Ω / mm or less, the drain current per unit width is saturated. On the other hand, when the ohmic contact resistance per unit is larger than 0.1 Ω / mm, the drain current is significantly reduced. Therefore, from the result of FIG. 2, in the GaN-HEMT, if the ohmic contact resistance per unit is reduced to 0.1 Ω / mm or less, the voltage applied to the 2DEG layer can be prevented from dropping due to the ohmic contact resistance. I understand.
そこで、この第1の実施の形態では、単位幅当たりのオーミックコンタクト抵抗が0.1Ω/mm以下にまで低減できるように、コンタクト幅WC1及びWC2とゲート幅WGを設定する。 Therefore, in this first embodiment, the ohmic contact resistance per unit width to allow reduced to below 0.1 [Omega / mm, to set the contact width W C1 and W C2 and the gate width W G.
ここで、既に説明したように、第1の実施の形態による半導体装置では、第1及び第2主電極17a及び17が2DEG層27よりも深い位置まで貫いて形成されているため、オーミックコンタクト抵抗の値は、コンタクト幅WC1及びWC2に依存する。従って、コンタクト幅WC1及びWC2を、ゲート幅WGの10倍以上とすることによって、コンタクト幅における単位幅当たりのオーミックコンタクト抵抗を1/10以下とすることができる。
Here, as already described, in the semiconductor device according to the first embodiment, the first and second
第1の実施の形態による半導体装置では、コンタクト幅WC1及びWC2を、ゲート幅WGの10倍以上とする。このようにコンタクト幅WC1及びWC2とゲート幅WGを設定することによって、第1の実施の形態による半導体装置では、単位幅当たりのオーミックコンタクト抵抗を1/10以下とすることができる。従って、オーミックコンタクト抵抗が0.1Ω/mmよりも大きく、かつ1.0Ω/mm以下であるデバイス(例えば、上述した非特許文献2によるGaN−HEMT)に対して、この第1の実施の形態による構造を適用することによって、単位幅当たりのオーミックコンタクト抵抗を0.1Ω/mm以下に低減することができる。 In the semiconductor device according to the first embodiment, the contact width W C1 and W C2, and more than 10 times the gate width W G. By thus setting the contact width W C1 and W C2 and the gate width W G, in the semiconductor device according to the first embodiment, the ohmic contact resistance per unit width can be set to 1/10 or less. Therefore, the first embodiment is applied to a device (for example, GaN-HEMT according to Non-Patent Document 2 described above) having an ohmic contact resistance larger than 0.1 Ω / mm and 1.0 Ω / mm or less. By applying the structure according to, the ohmic contact resistance per unit width can be reduced to 0.1 Ω / mm or less.
また、第1の実施の形態による半導体装置では、コンタクト幅WC1及びWC2をゲート幅WGの10倍以上とするために、活性領域11aが上述の以下のような平面形状、すなわち下地13の厚み向に対して垂直な面における平面形状で形成されている。なお、以下、単に平面形状と称する場合には、下地13の厚み向に対して垂直な面における平面形状を意味する。
In the semiconductor device according to the first embodiment, in order to make contact width W C1 and W C2 and 10 times the gate width W G, the
この第1の実施の形態では、活性領域11a内において、実質的にオーミックコンタクトをとる領域である第1及び第2重なり領域29a及び29bが、実質的にゲート電極15が活性領域11aに対して電圧を印加する領域である第3重なり領域35と比して、ゲート幅方向31に沿って10倍以上の幅で形成されている。その結果、コンタクト幅WC1及びWC2は、ゲート幅WGの10倍以上の幅となる。
In the first embodiment, in the
また、活性領域11aは、第1重なり領域29a及び第3重なり領域35間の領域、すなわち第1中間領域39では、第1重なり領域29aから第3重なり領域35に向かってゲート幅方向31に沿った幅が徐々に幅狭になる平面形状となっている。また、活性領域11aは、第2重なり領域29b及び第3重なり領域35間の領域、すなわち第2中間領域41では、第2重なり領域29bから第3重なり領域35に向かってゲート幅方向に沿った幅が徐々に幅狭になる平面形状となっている。
Further, the
また、下地13の活性領域11a外の領域は、素子分離領域として、周知のイオン注入技術により、例えばArイオン等が下地13の上側表面13aから2DEG層27よりも深く導入されることによって、または、周知のエッチング技術によりも2DEG層27よりも深くトレンチが形成されることによって非活性領域43となっている。なお、図1(B)では、イオン注入によって非活性領域43が形成された場合の構成例を示している。
Further, the region outside the
第1の実施の形態による半導体装置では、第1及び第2重なり領域29a及び29bの、ゲート幅方向31に沿った幅WC1及び幅WC2、すなわち実質的なコンタクト幅WC1及びWC2を、第3重なり領域35の、ゲート幅方向31に沿った幅WG、すなわち実質的なゲート幅WGの10倍以上とする。その結果、コンタクト幅WC1及びWC2とゲート幅WGとを同一とした場合のHEMTと比して、単位幅当たりのオーミックコンタクト抵抗を1/10以下とすることができる。従って、例えば上述した非特許文献2によるGaN−HEMTのように、単位幅当たりのオーミックコンタクト抵抗が0.1Ω/mmよりも大きく、かつ1.0Ω/mm以下であるデバイスに対して、この第1の実施の形態に係る構造を適用することによって、GaN−HEMTにおいて単位幅当たりのオーミックコンタクト抵抗を0.1Ω/mm以下に低減することができる。
In the semiconductor device according to the first embodiment, the width W C1 and the width W C2 along the
〈第2の実施の形態〉
第2の実施の形態では、上述した第1の実施の形態と同様に、GaN−HEMTにおけるコンタクト幅WC1及びWC2がゲート幅WGの10倍以上である半導体装置について説明する。
<Second Embodiment>
In the second embodiment, as in the first embodiment described above, the contact width W C1 and W C2 of the GaN-HEMT is described semiconductor device is 10 times the gate width W G.
この第2の実施の形態による半導体装置は、活性領域の平面形状が上述した第1の実施の形態による半導体装置と相違する。その他の構成要素及び作用効果は、第1の実施の形態と同様であるので、共通する構成要素については、同一の符号を付し、それらの重複する説明を省略する。 The semiconductor device according to the second embodiment is different from the semiconductor device according to the first embodiment in the planar shape of the active region. Since other components and operational effects are the same as those of the first embodiment, common components are denoted by the same reference numerals, and redundant description thereof is omitted.
図3は、この発明の第2の実施の形態を説明する概略図であり、下地を上側表面、すなわちFET等の素子が形成されている面から見た平面図である。なお、この図3では、図1と同様に、第2の実施の形態に係る特徴部分を明瞭に示すために、例えば層間絶縁層、上部配線層等の上層を省略している。 FIG. 3 is a schematic diagram for explaining the second embodiment of the present invention, and is a plan view of the base as seen from the upper surface, that is, the surface on which elements such as FETs are formed. In FIG. 3, as in FIG. 1, for example, an upper layer such as an interlayer insulating layer and an upper wiring layer is omitted in order to clearly show the characteristic portion according to the second embodiment.
第2の実施の形態では、第1重なり領域29a及び第3重なり領域35間の領域、すなわち第1中間領域45と、第2重なり領域29b及び第3重なり領域35間の領域、すなわち第2中間領域47の平面形状を、上述した第1の半導体装置における第1中間領域39及び第2中間領域41(図1(A)参照)の平面形状から変更する。
In the second embodiment, the region between the first
すなわち、第2の実施の形態では、上述した第1の実施の形態と同様に、活性領域11b内において、実質的にオーミックコンタクトをとる領域である第1及び第2重なり領域29a及び29bが、実質的にゲート電極15が活性領域11bに対して電圧を印加する領域である第3重なり領域35と比して、ゲート幅方向31に沿って10倍以上の幅で形成されている。その結果、コンタクト幅WC1及びWC2は、ゲート幅WGの10倍以上の幅となる。
That is, in the second embodiment, as in the first embodiment described above, the first and second overlapping
第1重なり領域29a及び第3重なり領域35間の領域、すなわち第1中間領域45は、第1コンタクト幅領域49と第1ゲート幅領域51とから成る。
A region between the first overlapping
第1コンタクト幅領域49は、ゲート幅方向31に沿った幅がコンタクト幅WC1と同一幅であり、ゲート長方向33に沿って第1重なり領域29aから第3重なり領域35に向かって延在している。
The first
第1ゲート幅領域51は、ゲート幅方向31に沿った幅がゲート幅WGと同一幅であり、ゲート長方向に沿って第3重なり領域35から第1重なり領域29aに向かって延在している。
The first
また、第2重なり領域29b及び第3重なり領域35間の領域、すなわち第2中間領域47は、第2コンタクト幅領域53と第2ゲート幅領域55とから成る。
A region between the second
第2コンタクト幅領域53は、ゲート幅方向31に沿った幅がコンタクト幅WC2と同一幅であり、ゲート長方向33に沿って第2重なり領域29bから第3重なり領域35に向かって延在している。
The second
第1ゲート幅領域55は、ゲート幅方向31に沿った幅がゲート幅WGと同一幅であり、ゲート長方向に沿って第3重なり領域35から第2重なり領域29bに向かって延在している。
The first
また、下地13の活性領域11b外の領域は、上述した第1の実施の形態と同様に、素子分離領域として、非活性領域43となっている。
The region outside the
このような平面形状で活性領域11bを形成することによって、この第2の実施の形態による半導体装置では、第1中間領域45及び第2中間領域47の面積を、上述した第1の実施の形態による半導体装置における第1中間領域39及び第2中間領域41(図1(A)参照)と比して、拡大することができる。
By forming the
すなわち、上述した第1の半導体装置における第1中間領域39及び第2中間領域41(図1(A)参照)のゲート幅方向31に沿った幅は、それぞれ第3重なり領域35に向かって徐々に幅狭となる。これに対して、この第2の実施の形態による半導体装置では、第1中間領域45は、ゲート幅方向31に沿った幅がコンタクト幅WC1と同一幅である第1コンタクト幅領域49、及びゲート幅方向31に沿った幅がゲート幅WGと同一幅である第1ゲート幅領域51から成る。また、第2中間領域47は、第2コンタクト幅領域53、及び第2ゲート幅領域55から成る。従って、第2の実施の形態による半導体装置では、第1ゲート幅領域51及び第2ゲート幅領域55のゲート長方向33に沿った長さLG−C1及びLG−C2を可能な限り短く設定することによって、第1中間領域45及び第2中間領域47における、第1コンタクト幅領域49及び第2コンタクト幅領域53が占める面積の割合を、第1ゲート幅領域51及び第2ゲート幅領域55よりも大きくする。これによって、第2の実施の形態による半導体装置では、第1中間領域45及び第2中間領域47の面積を、上述した第1の半導体装置における第1中間領域39及び第2中間領域41(図1(A)参照)と比して拡大することができる。
That is, the widths along the
その結果、第2の実施の形態による半導体装置では、半導体装置の作動時において、ゲート電極15と、第1及び第2主電極17a及び17bとの間に生じる抵抗を、第1の半実施の形態による半導体装置と比して低減することができる。従って、当然のことながら、半導体装置の作動時において、ソース電極として用いられる第1主電極17aまたは第2主電極17bと、ゲート電極15との間に発生するソース−ゲート抵抗が低減される。これによって、第2の実施の形態による半導体装置では、第1の半実施の形態による半導体装置と比して、ソース−ゲート抵抗及びオーミックコンタクト抵抗の和であるソース抵抗が低減される。その結果、第2の実施の形態による半導体装置は、相互コンダクタンスの寄生抵抗を効率よく抑制することができるため、HEMTの動作特性の向上において有利な構造といえる。
As a result, in the semiconductor device according to the second embodiment, during the operation of the semiconductor device, the resistance generated between the
ところで、第2の実施の形態による半導体装置では、製造プロセスにおいて、まず、例えば周知のレジスト技術を用いて下地13上にマスクを形成し、その後、周知のエッチング技術またはイオン注入技術を用いたことによって非活性領域43を形成する。そして、マスクの下側の領域として残存した非エッチング領域または非イオン注入領域が活性領域11bとなる。そして、既に説明したように、第2の実施の形態による半導体装置では、第1中間領域45及び第2中間領域47の面積を大きく設定するために、第1ゲート幅領域51及び第2ゲート幅領域55の長さLG−C1及びLG−C2を可能な限り短く設定する。そこで、第2の実施の形態による半導体装置では、この非活性領域43及び活性領域11b形成工程において形成される、これら非活性領域43及び活性領域11bの寸法誤差、すなわち、例えば上記マスクのパターン合わせマージン等を考慮して、長さLG−C1及びLG−C2を例えば、0.4μm程度に設定するのが好ましい。
By the way, in the semiconductor device according to the second embodiment, in the manufacturing process, first, a mask is formed on the base 13 using, for example, a well-known resist technique, and then a well-known etching technique or ion implantation technique is used. To form an
このように、第2の実施の形態による半導体装置では、上述した平面形状で活性領域11bを形成することによって、第1の実施の形態と同様に、GaN−HEMTにおいてオーミックコンタクト抵抗を0.1Ω/mm以下に低減できるのみでなく、ソース抵抗をも低減することができる。
As described above, in the semiconductor device according to the second embodiment, the
〈第3の実施の形態〉
第3の実施の形態では、上述した第1の実施の形態及び第2の実施の形態と同様に、GaN−HEMTにおけるコンタクト幅WC1及びWC2がゲート幅WGの10倍以上である半導体装置について説明する。
<Third Embodiment>
In the third embodiment, as in the first embodiment and the second embodiment described above, is 10 times or more contact width W C1 and W C2 of the gate width W G of the GaN-HEMT semiconductor The apparatus will be described.
この第3の実施の形態による半導体装置は、コンタクト幅WC1及びWC2とゲート幅WGを上述の比で形成するにために、ゲート電極の下側に非活性領域を形成する点において上述した第1の実施の形態及び第2の実施の形態による半導体装置と相違する。その他の構成要素及び作用効果は、第1の実施の形態及び第2の実施の形態と同様であるので、共通する構成要素については、同一の符号を付し、それらの重複する説明を省略する。 The semiconductor device according to the third embodiment, described above in that formed for the contact width W C1 and W C2 and the gate width W G to be formed in the above-mentioned ratio, a non-active region below the gate electrode This is different from the semiconductor device according to the first embodiment and the second embodiment. Since other components and operational effects are the same as those of the first embodiment and the second embodiment, common components are denoted by the same reference numerals, and redundant description thereof is omitted. .
図4は、この発明の第3の実施の形態を説明する概略図であり、下地を上側表面、すなわちFET等の素子が形成されている面から見た平面図である。なお、この図4では、図1及び図3と同様に、第3の実施の形態に係る特徴部分を明瞭に示すために、例えば層間絶縁層、上部配線層等の上層を省略している。 FIG. 4 is a schematic diagram for explaining the third embodiment of the present invention, and is a plan view of the base as seen from the upper surface, that is, the surface on which an element such as an FET is formed. In FIG. 4, as in FIGS. 1 and 3, for example, an upper layer such as an interlayer insulating layer and an upper wiring layer is omitted in order to clearly show the characteristic portion according to the third embodiment.
第3の実施の形態において、活性領域11cは、従来周知の一般的な半導体装置(例えば上述した特許文献2参照)と同様に、素子分離領域としての非活性領域43によって矩形に区画されて形成されている。
In the third embodiment, the
そして、第3の実施の形態では、上述した第1の実施の形態及び第2の実施の形態と同様に、活性領域11c内において、実質的にオーミックコンタクトをとる領域である第1及び第2重なり領域29a及び29bを、実質的にゲート電極15が活性領域11cに対して電圧を印加する領域である第3重なり領域35と比して、ゲート幅方向31に沿って10倍以上の幅とする。そのために、第3の実施の形態では、下地13の活性領域11c内において、ゲート電極15の下側ゲート電極15の下側、すなわち第3重なり領域35に、非活性領域57が形成されている。
In the third embodiment, similarly to the first and second embodiments described above, the first and second regions which are regions that substantially take ohmic contact in the
このように、第3重なり領域35に非活性領域57を形成することによって、第3重なり領域35内において、ゲート電極15が活性領域11cと接触する領域は、非活性領域57によって分断される。これによって、実質的なゲート幅WGも分断され、短くなる。ずなわち、第3重なり領域35内において、非活性領域57が形成されずに活性領域として残存した各領域35aの、ゲート幅方向31に沿った各幅Wgの合計が実質的なゲート幅WGとなる。従って、第3の実施の形態では、これら各幅Wgを調節することによって、コンタクト幅WC1及びWC2をゲート幅WGの10倍以上の幅とすることができる。
Thus, by forming the
第3の実施の形態では、非活性領域57を形成して、コンタクト幅WC1及びWC2をゲート幅WGの10倍以上の幅とするため、活性領域11cの面積を、上述した第1の実施の形態及び第2の実施の形態における活性領域11a及び11bと比して、さらに拡大することができる。従って、第3の実施の形態では、第1の実施の形態及び第2の実施の形態と同様に、GaN−HEMTにおいてオーミックコンタクト抵抗を0.1Ω/mm以下に低減できるのみでなく、第1の実施の形態及び第2の実施の形態と比して、より効率良くソース抵抗を低減するができる。
In the third embodiment, by forming a
非活性領域57は、ゲート幅方向31に沿って互いに離間させて、少なくとも1つ配設する。なお、第3の実施の形態では、非活性領域57の全体を第3重なり領域35内に配設する構成、または、非活性領域57を第3重なり領域35内から第3重なり領域35外に渡って配設する構成のいずれとしても良い。図4では、4つの非活性領域57を、それぞれ全体的に第3重なり領域35内に配設した構成例を示している。
At least one
また、非活性領域57は、エッチングによるトレンチとしてではなく、イオン注入によって、例えばArイオン等が導入された不純物導入領域として、下地13の上側表面13aに段差を設けることなく形成されているのが好ましい。このように、不純物導入領域として非活性領域57が形成されることによって、第3の実施の形態による半導体装置では、動作時において各領域35aに生じる熱集中が分散される。その結果、第3の実施の形態では、オーミックコンタクト抵抗及びソース抵抗を低減できるのみでなく、良好な温度特性を有した半導体装置を提供することができる。
The
11a、11b、11c:活性領域
13:下地
15:ゲート電極
17a、17b:第1及び第2主電極
19:GaN層
21:AlGaN層
23:基板
25:バッファ層
27:2次元電子ガス層(2DEG層)
29a、29b:第1及び第2重なり領域
31:ゲート幅方向
33:ゲート長方向
35:第3重なり領域
39、45:第1中間領域
41、47:第2中間領域
43、57:非活性領域
49:第1コンタクト幅領域
51:第1ゲート幅領域
53:第2コンタクト幅領域
55:第2ゲート幅領域
11a, 11b, 11c: active region 13: base 15:
29a, 29b: first and second overlapping regions 31: gate width direction 33: gate length direction 35: third overlapping
Claims (7)
前記活性領域上に形成されているゲート電極と、
前記活性領域に形成されており、前記ゲート電極を挟んで互いに離間しかつ対向して形成されている第1及び第2主電極とを具え、
前記第1及び第2主電極と前記活性領域とが重なる第1及び第2重なり領域の、ゲート幅方向に沿った幅WC1及び幅WC2は、前記ゲート電極と前記活性領域とが重なる第3重なり領域の、前記ゲート幅方向に沿った幅WGの10倍以上である
ことを特徴とする半導体装置。 A substrate including a GaN layer and an active region generated due to the GaN layer;
A gate electrode formed on the active region;
A first and a second main electrode formed in the active region, spaced apart and opposed to each other across the gate electrode;
The width W C1 and the width W C2 along the gate width direction of the first and second overlapping regions where the first and second main electrodes and the active region overlap each other are such that the gate electrode and the active region overlap each other. of 3 overlapping region, wherein a said at least 10 times the gate width direction to the width W G along.
前記下地は、前記GaN層内に、該GaN層の厚み方向に垂直な面状に前記活性領域に渡って2次元電子ガス層を具えており、
前記第1及び第2主電極は、前記下地の上側表面から該下地内へと前記2次元電子ガス層よりも深い位置まで貫いて形成されている
ことを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The base comprises a two-dimensional electron gas layer across the active region in a plane perpendicular to the thickness direction of the GaN layer in the GaN layer,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the first and second main electrodes are formed so as to penetrate from the upper surface of the base into the base to a position deeper than the two-dimensional electron gas layer.
前記第1及び第2重なり領域のゲート長に沿った長さが、0.5〜10.0μmである
ことを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 2,
A length of the first and second overlapping regions along the gate length is 0.5 to 10.0 μm.
前記活性領域は、前記第1重なり領域及び前記第3重なり領域間の領域では、該第1重なり領域から該第3重なり領域に向かって前記ゲート幅方向に沿った幅が徐々に幅狭となっていき、
前記第2重なり領域及び前記第3重なり領域間の領域では、該第2重なり領域から該第3重なり領域に向かって前記ゲート幅方向に沿った幅が徐々に幅狭となっていく
ことを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 3,
In the region between the first overlap region and the third overlap region, the active region gradually decreases in width along the gate width direction from the first overlap region toward the third overlap region. Continue
In the region between the second overlap region and the third overlap region, the width along the gate width direction gradually decreases from the second overlap region toward the third overlap region. A semiconductor device.
前記活性領域は、前記第1重なり領域及び前記第3重なり領域間の領域では、前記幅WC1と同一の幅で、ゲート長方向に沿って該第1重なり領域から該第3重なり領域に向かって延在する第1コンタクト幅領域と、前記幅WGと同一の幅で、ゲート長方向に沿って該第3重なり領域から該第1重なり領域に向かって延在する第1ゲート幅領域とから成り、
前記第2重なり領域及び前記第3重なり領域間の領域では、前記幅WC2と同一の幅で、ゲート長方向に沿って該第2重なり領域から該第3重なり領域に向かって延在する第2コンタクト幅領域と、前記幅WGと同一の幅で、ゲート長方向に沿って該第3重なり領域から該第2重なり領域に向かって延在する第2ゲート幅領域とから成る
ことを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 3,
The active region has the same width as the width W C1 in the region between the first overlap region and the third overlap region, and extends from the first overlap region toward the third overlap region along the gate length direction. a first contact width region extending Te, with the same width and the width W G, a first gate width region extending towards the first overlapping region from the third overlap region along the gate length direction Consisting of
In the region between the second overlap region and the third overlap region, the second overlap region has the same width as the width W C2 and extends from the second overlap region toward the third overlap region along the gate length direction. features and second contact width region, in the width W G of the same width, that consist in the gate length direction from the third overlapping region and the second gate width region extending towards the second overlap area A semiconductor device.
前記下地は、前記活性領域内であって、前記ゲート電極の下側に、前記ゲート幅方向に沿って互いに離間して配設された少なくとも1つの非活性領域を具える
ことを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 3,
The underlayer includes at least one inactive region disposed in the active region and below the gate electrode and spaced from each other along the gate width direction. apparatus.
前期非活性領域は、不純物導入領域として形成されている
ことを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 6,
A semiconductor device characterized in that the inactive region in the previous period is formed as an impurity introduction region.
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