JP4937498B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、例えば照明装置,空調機などの高電力消費電力型の機器に適した,高温下で高耐圧,大電流用に使用される半導体パワーデバイスに関する。 The present invention relates to a semiconductor power device that is suitable for a high power consumption type device such as a lighting device or an air conditioner and is used for high withstand voltage and large current at high temperature.
炭化珪素(シリコンカーバイド,SiC)は、珪素(Si)に比べてバンドギャップが大きい半導体であるため、高い絶縁耐圧を有し、また、高温においても安定な半導体であることから、SiC基板を用いて形成される半導体デバイスは、次世代のパワーデバイスや高温動作デバイスへの応用が期待されている。一般に、パワーデバイスとは大電力の変換や制御を行うデバイスの総称であり、パワーダイオード,パワートランジスタなどと呼ばれている。そして、パワーデバイスの応用として、例えば掃除機,洗濯機,冷蔵庫,蛍光灯,空調機などの機器におけるインバータ制御部に配置されるトランジスタ,ダイオードなどがあり、今後もパワーデバイスの応用分野はさらに拡大するものと考えられる。 Since silicon carbide (silicon carbide, SiC) is a semiconductor having a larger band gap than silicon (Si), it has a high withstand voltage and is a semiconductor that is stable even at high temperatures. Semiconductor devices formed in this way are expected to be applied to next-generation power devices and high-temperature devices. In general, a power device is a generic term for devices that perform conversion and control of large power, and is called a power diode, a power transistor, or the like. Applications of power devices include, for example, transistors and diodes that are placed in inverter control units in devices such as vacuum cleaners, washing machines, refrigerators, fluorescent lamps, and air conditioners. It is thought to do.
一般に、これらの用途のためには、複数個の半導体チップを用途,目的に応じて配線により接続し、一つのパッケージ内に納めてモジュール化する。例えば、基板上に用途に応じた回路を構成するように配線を形成しておいて、基板上に各半導体チップを取り付けることにより、半導体チップと配線とによって所望の回路を構成するのである。ここでは、半導体パワーデバイス回路の従来例として、ショットキーダイオードとMOS電界効果型トランジスタを用いた蛍光灯のインバータ回路について説明する。 In general, for these uses, a plurality of semiconductor chips are connected by wiring according to the use and purpose, and are placed in one package to be modularized. For example, wiring is formed on the substrate so as to constitute a circuit corresponding to the application, and each semiconductor chip is attached on the substrate, whereby a desired circuit is constituted by the semiconductor chip and the wiring. Here, as a conventional example of a semiconductor power device circuit, an inverter circuit of a fluorescent lamp using a Schottky diode and a MOS field effect transistor will be described.
図18は、PCT出願JP00/02054号に開示されている従来の電球型蛍光ランプ装置250の構造を示す断面図である。同図に示すように、蛍光ランプ装置250は、3本の略U字型の発光管をブリッジにより連結して構成される蛍光ランプ201と、蛍光ランプ201を点灯させるための半導体チップなどの要素を含む点灯回路202と、点灯回路202を収納するカバー203と、カバー203の先端に取り付けられた口金204と、蛍光ランプ201を周囲を覆うグローブ205とを備えている。
FIG. 18 is a cross-sectional view showing the structure of a conventional bulb-type
図19は、蛍光ランプ装置250中の点灯回路202の構成を示す電気回路図である。同図に示すように、点灯回路202には、ラインフィルタ回路212と、整流回路213と、電源平滑用コンデンサ214と、インバータ回路215と、チョークコイル207と、共振用コンデンサ216とを配置して構成されている。また、インバータ回路215は、インバータ駆動用IC217と、インバータ駆動用IC217によって駆動されるスイッチング素子であるFET208,209と、インバータ用コンデンサ218とによって構成されている。蛍光ランプ201は共振用コンデンサ216と並列に配置されていて、蛍光ランプ201内の両端の電極221,222間に放電電流を流すことにより、蛍光が発光される構成となっている。
FIG. 19 is an electric circuit diagram showing the configuration of the
そして、この従来の蛍光ランプ装置250においては、各回路が個別の外付け部品として形成された後、回路基板206の表面206aには、ラインフィルタ回路212,電源平滑用コンデンサ214,チョークコイル207,共振用コンデンサ216,インバータ用コンデンサ218などが配置され、回路基板206裏面206bには、整流回路213,インバータ駆動用IC217,FET208,209などが配置されている。つまり、整流回路213,インバータ駆動用IC217やインバータ回路215中のFET208,209といった比較的耐熱性の低い部品は、発熱部品であるチョークコイル207などとは異なる面にかつ離れた位置に配置されている。
In this conventional
ここで、蛍光ランプ202の電極221,222に流れる電流はランプの輝度を確保するために大電流であるので、インバータ回路215内に配置されるFET208,209としては、パワートランジスタであるpMOSFET,nMOSFETが使用される。また、整流回路213に配置されるダイオードとして、パワーダイオードが用いられている。このパワートランジスタ及びパワーダイオードを含むパワーデバイスの基本的機能は、50/60Hzから例えば50kHzに変換するAC−DC−ACコンバータになる。そして、このようなパワートランジスタやパワーダイオードとして、上述のようなSiC基板上に設けられたパワーデバイスがしばしば採用されている。
Here, since the current flowing through the
しかしながら、上記従来の蛍光ランプ装置においては、以下のような不具合があった。 However, the conventional fluorescent lamp device has the following problems.
上記従来の蛍光ランプ装置250において、通常はトランジスタやダイオードを基板に取り付けるために半田などを用いる。しかし、この半田は高温下における耐久性がないことから、例えば多量の発熱が生じる蛍光灯の近くに配置することができず、蛍光灯システム全体の大きさが大型化してしまう。
In the conventional
また、点灯回路202は、個々の部品を回路基板206に搭載しこれらを互いに配線によって接続して形成されているが、耐熱性の弱い部品については高温になるのを回避するために、厳しい位置的な制約がある。その結果、各部品の位置関係を種々工夫しているものの、点灯回路202自体が大型にならざるを得ない。
The
ここで、上述のように、SiC基板の高い耐熱性を利用して、SiC基板上に設けられた半導体デバイスを点灯回路などの高温にさらされる機器内に配置することが考えられる。しかるに、従来のSiC基板上に設けられたパワートランジスタやパワーダイオードは、ディスクリートのデバイスであったために、点灯回路202自体が大型化するのを回避するのは困難であった。
Here, as described above, it is conceivable that the semiconductor device provided on the SiC substrate is placed in a device that is exposed to a high temperature, such as a lighting circuit, using the high heat resistance of the SiC substrate. However, since power transistors and power diodes provided on a conventional SiC substrate are discrete devices, it is difficult to prevent the
本発明の目的は、耐熱性の高い化合物半導体基板上に能動素子,受動素子のうち少なくともいずれか一方を設ける手段を講ずることにより、使用温度、スペース上の制約などが過酷な条件下に配置するのに適した半導体デバイスを提供することにある。 The object of the present invention is to arrange the active element and / or the passive element on a compound semiconductor substrate having high heat resistance so that the operating temperature and space restrictions are placed under severe conditions. To provide a semiconductor device suitable for the above.
本発明の第1の半導体デバイスは、基板上に設けられた化合物半導体層と、上記化合物半導体層の上に設けられ、キャリア走行領域として機能する少なくとも1つの第1の半導体層と、高濃度のキャリア用不純物を含み上記第1の半導体層よりも膜厚が薄く量子効果によるキャリアの分布が可能な少なくとも1つの第2の半導体層とを交互に積層して構成される活性領域と、上記活性領域の上に設けられた複数の能動素子とを備えている。 A first semiconductor device of the present invention includes a compound semiconductor layer provided on a substrate, at least one first semiconductor layer provided on the compound semiconductor layer and functioning as a carrier traveling region, and a high concentration An active region including at least one second semiconductor layer containing carrier impurities and having a thickness smaller than that of the first semiconductor layer and capable of carrier distribution by a quantum effect, and the active region A plurality of active elements provided on the region.
この構造により、能動素子がオン状態になるような電圧が印加されたときには、第2の半導体層内のキャリアが第1の半導体層にまで広がって活性領域全体にキャリアが分布する状態となる。そして、第1の半導体層における不純物濃度が低いことから、第1の半導体層における不純物イオン散乱は少なくなるために、活性領域上にMISFETやダイオードを設けたときには、特に高いキャリアの走行速度が得られる。しかも、活性領域における平均的な不純物濃度が低くないにも拘わらず、オフ状態では活性領域全体が空乏化され、活性領域にはキャリアが存在しなくなるので、不純物濃度の低い第1の半導体層によって耐圧が規定され、活性領域全体において高い耐圧値が得られることになる。 With this structure, when a voltage is applied so that the active element is turned on, carriers in the second semiconductor layer spread to the first semiconductor layer and carriers are distributed throughout the active region. Since the impurity concentration in the first semiconductor layer is low and the impurity ion scattering in the first semiconductor layer is reduced, a particularly high carrier traveling speed is obtained when a MISFET or a diode is provided on the active region. It is done. In addition, although the average impurity concentration in the active region is not low, the entire active region is depleted in the off state, and no carriers exist in the active region. Therefore, the first semiconductor layer having a low impurity concentration The withstand voltage is defined, and a high withstand voltage value is obtained in the entire active region.
すなわち、化合物半導体層の上に集積化された高機能の能動素子が得られるので、例えば高温下で使用される場合にも、半田を用いることなく半導体デバイスを所望の部位に配置できる。したがって、機器内への半導体デバイスの配置の自由度が向上すると共に、半導体デバイスを利用した機器自体の小型化を図ることも可能となる。 That is, since a high-functional active element integrated on the compound semiconductor layer can be obtained, the semiconductor device can be disposed at a desired site without using solder even when used at a high temperature, for example. Therefore, the degree of freedom of arrangement of the semiconductor device in the equipment is improved, and the equipment itself using the semiconductor device can be downsized.
上記複数の能動素子は、上記第1の半導体層をゲート絶縁膜の直下方に有するMISFETを含むことにより、第1の半導体層の不純物濃度が低いことから、MISFETのゲート絶縁膜中やゲート絶縁膜−活性領域間の界面付近にトラップされる電荷の数も低減され、トラップされた電荷によるキャリアの走行への妨害作用が小さくなる。したがって、チャネル移動度がより高いMISFETを有する集積化された半導体デバイスが得られる。 The plurality of active elements include a MISFET having the first semiconductor layer immediately below the gate insulating film, so that the impurity concentration of the first semiconductor layer is low. The number of charges trapped in the vicinity of the interface between the film and the active region is also reduced, and the disturbing effect on the traveling of carriers by the trapped charges is reduced. Thus, an integrated semiconductor device having a MISFET with higher channel mobility is obtained.
上記活性領域として、上記第2の半導体層におけるキャリア用不純物が第1導電型不純物である第1の活性領域と、該第1の活性領域の上に形成され上記第2の半導体層におけるキャリア用不純物が第2導電型不純物である第2の活性領域とを有し、上記第2の活性領域の一部が除去されて、上記第1の活性領域が基板の最上層に露出しており、上記第1の活性領域が露出している部分には、第2導電型MISFETが設けられている一方、上記第2の活性領域には、第1導電型MISFETが設けられていることにより、pMOSFETとnMOSFETとを備えたCMOSデバイスとして機能する半導体デバイスが得られる。 As the active region, a carrier active in the second semiconductor layer is formed on the first active region in which the carrier impurity in the second semiconductor layer is a first conductivity type impurity and on the first active region. A second active region in which the impurity is a second conductivity type impurity, a part of the second active region is removed, and the first active region is exposed in the uppermost layer of the substrate, In the portion where the first active region is exposed, a second conductivity type MISFET is provided, while in the second active region, the first conductivity type MISFET is provided, whereby a pMOSFET is provided. And a semiconductor device functioning as a CMOS device including nMOSFETs.
上記化合物半導体層をSiC層,GaN層,InP層,InGaAs層及びInGaPN層から選ばれた1つの半導体層であるとすることにより、これらの化合物半導体層の特性を利用して特に高い耐熱性と高い耐圧性とを有する半導体デバイスが得られる。 By making the compound semiconductor layer one semiconductor layer selected from a SiC layer, a GaN layer, an InP layer, an InGaAs layer, and an InGaPN layer, the characteristics of these compound semiconductor layers can be utilized to achieve particularly high heat resistance. A semiconductor device having high pressure resistance is obtained.
本発明の第2の半導体デバイスは、基板上に設けられたSiC層,GaN層,InP層,InGaAs層及びInGaPN層から選ばれた1つの半導体層と、上記半導体層の上に設けられたインダクタとを備えている。 A second semiconductor device of the present invention includes a semiconductor layer selected from a SiC layer, a GaN layer, an InP layer, an InGaAs layer, and an InGaPN layer provided on a substrate, and an inductor provided on the semiconductor layer. And.
これにより、SiC層,GaN層,InP層,InGaAs層及びInGaPN層の高い耐熱性と高い熱伝導率とを利用して、微細なパターンを有するインダクタを設けることが可能になり、狭い面積に大きなインダクタンスを有するインダクタを設けることが可能になる。 This makes it possible to provide an inductor having a fine pattern using the high heat resistance and high thermal conductivity of the SiC layer, GaN layer, InP layer, InGaAs layer, and InGaPN layer, and it is possible to provide a large area in a small area. An inductor having an inductance can be provided.
上記半導体層が、キャリア走行領域として機能する少なくとも1つの第1の半導体層と、高濃度のキャリア用不純物を含み上記第1の半導体層よりも膜厚が薄く量子効果によるキャリアの分布が可能な少なくとも1つの第2の半導体層とを交互に積層して構成されており、上記半導体層の上に設けられた複数の能動素子をさらに備えることにより、上記第1の半導体デバイスをも半導体層の上に備えた高機能の半導体デバイスが得られる。 The semiconductor layer includes at least one first semiconductor layer functioning as a carrier traveling region and a carrier impurity having a high concentration, and is thinner than the first semiconductor layer and capable of carrier distribution by a quantum effect. At least one second semiconductor layer is alternately stacked, and the semiconductor device further includes a plurality of active elements provided on the semiconductor layer, whereby the first semiconductor device is also formed on the semiconductor layer. The highly functional semiconductor device provided above is obtained.
上記半導体層の上に設けられたMISFETを含む回路と、上記半導体層の活性領域の上に設けられたショットキーダイオードを含む整流回路と、上記半導体層の上に設けられたキャパシタとをさらに備え、蛍光ランプ装置の点灯回路として機能させることにより、きわめて小型化され、かつ、共通の基板上に集積化された半導体デバイスを、蛍光ランプの高温かつ狭い空間内に配置することが可能になる。 A circuit including a MISFET provided on the semiconductor layer; a rectifier circuit including a Schottky diode provided on the active region of the semiconductor layer; and a capacitor provided on the semiconductor layer. By functioning as a lighting circuit of a fluorescent lamp device, a semiconductor device that is extremely miniaturized and integrated on a common substrate can be placed in a high-temperature and narrow space of the fluorescent lamp.
本発明の第1の半導体デバイスによれば、基板の化合物半導体層の上に、キャリア走行領域として機能する少なくとも1つの第1の半導体層と、高濃度のキャリア用不純物を含み量子効果によるキャリアの分布が可能な少なくとも1つの第2の半導体層とを交互に積層して構成される活性領域を設け、活性領域の上に複数の能動素子を設けたので、高いキ
ャリアの走行特性と耐圧性とを有する能動素子を共通の基板上に集積化してなる半導体デバイスの提供を図ることができる。
According to the first semiconductor device of the present invention, on the compound semiconductor layer of the substrate, at least one first semiconductor layer functioning as a carrier traveling region, and a carrier effect due to a quantum effect including high-concentration carrier impurities. Since an active region configured by alternately stacking at least one second semiconductor layer capable of distribution is provided and a plurality of active elements are provided on the active region, high carrier running characteristics and pressure resistance Thus, it is possible to provide a semiconductor device in which active elements having the above are integrated on a common substrate.
本発明の第2の半導体デバイスによれば、基板のSiC層やInGaAs層の上にインダクタを設けたので、SiC基板,InP基板又はInGaPN基板の高い耐熱性と高い熱伝導率とを利用して、微細なパターンを有するインダクタを設けることが可能になり、狭い面積に大きなインダクタンスを有するインダクタの提供を図ることができる。 According to the second semiconductor device of the present invention, since the inductor is provided on the SiC layer or InGaAs layer of the substrate, the high heat resistance and high thermal conductivity of the SiC substrate, InP substrate or InGaPN substrate are utilized. Thus, an inductor having a fine pattern can be provided, and an inductor having a large inductance in a small area can be provided.
以下、本発明のいくつかの実施形態について説明する。 Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described.
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態におけるSiC基板上にショットキーダイオード,MOSFET,キャパシタ及びインダクタを集積してなる集積型の半導体デバイスの断面図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view of an integrated semiconductor device in which a Schottky diode, a MOSFET, a capacitor, and an inductor are integrated on a SiC substrate according to the first embodiment of the present invention.
4H−SiC基板であるSiC基板10には、平均濃度が約1×1017atoms・cm-3の窒素がドープされたn型の第1の活性領域12と、平均濃度が約1×1017atoms・cm-3のアルミニウムがドープされたp型の第2の活性領域13とが下方から順に設けられており、上記第2の活性領域13の一部が除去されて、基板上に第1の活性領域12の一部が露出している。そして、各活性領域12,13を各素子毎に区画するための,トレンチにシリコン酸化膜を埋め込んでなる素子分離領域11が設けられている。
The
ここで、図1の下方に拡大して示すように、第1の活性領域12は、高濃度(例えば1×1018atoms・cm-3)の窒素を含む厚みが約10nmのn型ドープ層12aと、アンドープの4H−SiC単結晶からなる厚み約50nmのアンドープ層12bとを交互に、各々20層ずつ積層して構成されている。一方、第2の活性領域13は、高濃度(例えば1×1018atoms・cm-3)のアルミニウムを含む厚みが約10nmのp型ドープ層13aと、アンドープの4H−SiC単結晶からなる厚み約50nmのアンドープ層13bとを交互に、各々20層ずつ積層して構成されている。そして、n型ドープ層12a,p型ドープ層13aは、いずれも量子効果によるアンドープ層12b,13bへのキャリアの浸みだしが可能な程度に薄く形成されている。
Here, as shown enlarged below in FIG. 1, the first
また、SiC基板10上のうち第1の活性領域12が露出している部分の上には、ショットキーダイオード20(整流素子)と、pMOSFET30(スイッチング素子)とが設けられ、SiC基板10のうち第2の活性領域13が最上部に存在する部分の上には、nMOSFET40(スイッチング素子)と、キャパシタ50(容量素子)と、インダクタ60(誘導素子)とが設けられている。
Further, a Schottky diode 20 (rectifying element) and a pMOSFET 30 (switching element) are provided on a portion of the
上記ショットキーダイオード20は、第1の活性領域12にショットキー接触するニッケル(Ni)からなるショットキー電極21と、第1の活性領域12に高濃度の窒素(例えば約1×1018atoms・cm-3)を注入して形成された電極引き出し層22と、電極引き出し層22にオーミックコンタクトするニッケル(Ni)からなるオーミック電極23とを備えている。
The
上記pMOSFET30は、第1の活性領域12の上に形成されたSiO2からなるゲート絶縁膜31と、ゲート絶縁膜31の上に形成されたNi合金膜からなるゲート電極32と、第1の活性領域12のうちゲート電極32の両側方に位置する領域に濃度1×1018cm-3のアルミニウムを注入して形成されたp型のソース領域33a及びドレイン領域33bと、ソース領域33a及びドレイン領域43bにそれぞれオーミックコンタクトす
るNi合金膜からなるソース電極34及びドレイン電極35とを備えている。
The
上記nMOSFET40は、第2の活性領域13の上に形成されたSiO2からなるゲート絶縁膜41と、ゲート絶縁膜41の上に形成されたNi合金膜からなるゲート電極42と、第2の活性領域13のうちゲート電極42の両側方に位置する領域に濃度1×1018cm-3の窒素を注入して形成されたn型のソース領域43a及びドレイン領域43bと、ソース領域43a及びドレイン領域43bにそれぞれオーミックコンタクトするNi合金膜からなるソース電極44及びドレイン電極45とを備えている。
The
上記キャパシタ50は、第2の活性領域13の上に設けられたSiN膜からなる下地絶縁膜51と、該下地絶縁膜51の上に設けられた白金(Pt)膜からなる下部電極52と、下部電極52の上に設けられたBSTなどの高誘電体膜からなる容量絶縁膜53と、容量絶縁膜53を挟んで下部電極52に対向する白金(Pt)膜からなる上部電極54とを備えている。
The
上記インダクタ60は、第1の活性領域12の上に設けられたSiN膜からなる誘電体膜61と、該誘電体膜61の上に形成されたスパイラル状のCu膜からなる導体膜62とを備えている。ここで、導体膜62の幅は約9μmで、厚みが約4μで、導体膜62同士間の間隙が約4μm程度である。ただし、SiC基板10は耐熱性が大きく,かつ熱伝導率も高いことから、電流量によっては、導体膜62の微細化が可能であり、より微細なパターン、例えば、幅が1〜2μmで間隙が1〜2μm程度の形状も可能である。
The
また、基板上には、シリコン酸化膜からなる層間絶縁膜70が形成されており、層間絶縁膜70の上には、アルミニウム合金膜,Cu合金膜などからなる配線72が設けられている。そして、上記各素子20,30,40,50,60の導体部は、層間絶縁膜70に形成されたコンタクトホールを埋めるアルミニウム合金膜などからなるコンタクト71を介して配線72に接続されている。
An interlayer insulating
図2は、本実施形態における半導体デバイスの平面パターンを概略的に示す平面図である。同図に示すように、4つのショットキーダイオード20を含む整流回路と、pMOSFET30及びnMOSFET40と含むインバータ回路と、キャパシタ50と、インダクタ60とが配線72により接続されている。そして、インバータ回路のpMOSFET30とnMOSFET40の各ゲート電極32,42に、パッド75を介して制御信号を入力するように構成されている。なお、整流回路とインバータ回路との間に、平滑用キャパシタ(図19に示すキャパシタ214に相当するもの)を挿入してもよい。
FIG. 2 is a plan view schematically showing a planar pattern of the semiconductor device in the present embodiment. As shown in the figure, a rectifier circuit including four
本実施形態の半導体デバイスによると、共通のSiC基板10の上に、ショットキーダイオード20,pMOSFET30,nMOSFET40,キャパシタ50及びインダクタ60を集積したので、大電力,高耐圧の特性を備え、掃除機,洗濯機,冷蔵庫,蛍光灯,空調機などの機器に適した半導体デバイスを提供することができる。特に、従来、半田などによって外付けされていたインダクタ60を他の素子と共にSiC基板10上に搭載することにより、機器内の限られたスペースに、温度の制約を受けることなく自由に半導体デバイスを配置することができる。しかも、多くの素子を共通のSiC基板上に集積化することで、部品組立の手間が省略でき、半導体デバイスの製造コストの低減を図ることができる。また、δドープ層と低濃度ドープ層とを積層した活性領域を有する素子は、歩留まりの向上をも見込めることがわかっており、歩留まりの向上によるコストの低減をも図ることができる。
According to the semiconductor device of the present embodiment, since the
なお、特にGHzオーダーの高周波信号を扱う機器に半導体デバイスを応用する場合には、上記インダクタ60の誘電体膜61をBCB膜(ベンゾシクロブテン膜)により構成することが好ましい。BCB膜とは、BCB−DVSモノマーを溶剤に溶かして塗布した後ベーキングして得られるBCBを構造中に含む膜をいう。BCB膜は、比誘電率が2.7程度と小さく、かつ、1回の塗布で30μm程度の厚い膜を容易に形成できるという特徴がある。また、BCB膜のtanδは60GHzで0.006程度とSiO2よりも1桁程度小さいことから、BCB膜は特にインダクタやマイクロストリップ線路を構成する誘電体膜として優れた特性を発揮することができる。
In particular, when a semiconductor device is applied to a device that handles a high-frequency signal on the order of GHz, it is preferable that the
また、本実施形態においては、SiC基板10に、図1の下方に示す構造を有する第1の活性領域12及び第2の活性領域13を設けたので、各素子について以下のような顕著な効果を発揮することができる。
In the present embodiment, since the first
まず、ショットキーダイオード20においては、ショットキーダイオード20に順バイアスが印加されると、第1の活性領域12のポテンシャルが高められ、n型ドープ層12a及びアンドープ層12bにおける伝導帯端のエネルギーレベルが上昇する。このとき、n型ドープ層12a内のキャリアが量子効果によってアンドープ層12bにも浸みだすので、第1の活性領域12のn型ドープ層12aとアンドープ層12bとの双方を通じて、容易にショットキー電極21に電流が流れる。つまり、第1の活性領域12のn型ドープ層12aだけでなくアンドープ層12bもキャリア走行領域として機能することになる。このとき、アンドープ層12bにおける不純物濃度が低いので、アンドープ層12bにおいては不純物散乱が低減される。したがって、抵抗値を小さく維持することができ、低消費電力,大電流を実現することができる。一方、ショットキーダイオード20に逆バイアスが印加されると、第1の活性領域12のアンドープ層12bからn型ドープ層12aに空乏層が広がって、第1の活性領域12全体が容易に空乏化されるので、大きな耐圧値が得られることになる。よって、オン抵抗の小さい、大電力かつ高耐圧のパワーダイオードを実現することができる。特に、このパワーダイオードを横型構造とすることにより、パワーダイオードをパワーMOSFETなどと共に共通のSiC基板上に集積することが容易になった。
First, in the
次に、pMOSFET30においては、ゲート電極32に駆動用電圧が印加されて、キャリアが走行する反転状態においては、印加電圧Vに対応するポテンシャルeVによって上方に曲げられた価電子端の端部に正孔が集まり、この正孔がソース領域33aとドレイン領域33bとの間の電位差に応じ、第1の活性領域12のチャネル層となる部分を走行することになる。そのとき、キャリア(ここでは正孔)の濃度はゲート絶縁膜31の直下において高濃度で下方に向かうほど低濃度になるように分布するので、実際上、ゲート絶縁膜31直下の領域であるアンドープ層12bがほぼチャネル層の大部分を占めることになる。ところが、アンドープ層12bにはほとんど不純物がドープされていないので、アンドープ層12bを走行するキャリアに対する不純物イオン散乱は少なくなる。つまり、第1の活性領域12におけるキャリアの走行を妨げる不純物イオン散乱が少なくなることで、高いチャネル移動度が得られる。
Next, in the
また、MOSFETのゲート絶縁膜は、ほとんどの場合基板の熱処理によって形成される酸化膜であることから、アンドープ層12bを熱酸化して形成されたゲート絶縁膜31中にトラップされる正の電荷は少ない。したがって、第1の活性領域12中の特に最上のアンドープ層12bを流れる正孔がゲート絶縁膜31中の電荷との相互作用による走行妨害作用を受けることがほとんどないことからも、チャネル移動度が向上する。また、ゲート電極32に駆動用電圧が印加されていないときには、ソース領域33aとドレイン領域33bとの間に高電圧が印加されても、ショットキーダイオード20の場合と同様に、空乏層がアンドープ層12bからn型ドープ層12aに容易に広がるので、高い耐圧を発揮することができる。
In addition, since the gate insulating film of the MOSFET is an oxide film formed by heat treatment of the substrate in most cases, the positive charge trapped in the
すなわち、高耐圧でオン抵抗が小さく,かつ大電流容量,高相互コンダクタンスという優れた特性を発揮することができる。例えば、ドレイン電圧が400V以上においてもブレークダウンなしに安定なドレイン電流が得られ、オフ状態のMOSFETにおいての絶縁破壊電圧は600V以上である。 That is, it can exhibit excellent characteristics such as high breakdown voltage, low on-resistance, large current capacity, and high transconductance. For example, a stable drain current can be obtained without breakdown even when the drain voltage is 400 V or higher, and the breakdown voltage in an off-state MOSFET is 600 V or higher.
また、nMOSFET40においては、pMOSFETと同様に、チャネル領域を走行する電子が、チャネル領域中の不純物イオンによる散乱やゲート絶縁膜中の不純物にトラップされた負の電荷による妨害作用をほとんど受けることがないので、高耐圧で低オン抵抗,大電流容量,高相互コンダクタンス特性を発揮することができる。
In the
次に、本実施形態における半導体デバイスの製造工程について、図3(a)〜図5(b)を参照しながら説明する。ここで、図3(a)〜(c)は、本実施形態の半導体デバイスの製造工程のうち第1,第2の活性領域の形成から素子分離領域の形成までの工程を示す断面図である。図4(a)〜(c)は、本実施形態の半導体デバイスの製造工程のうちソース・ドレイン領域の形成から各素子の電極又は導体膜の形成までの工程を示す断面図である。図5(a),(b)は、本実施形態の半導体デバイスの製造工程のうちキャパシタの上部電極の形成から各素子の導体部へのコンタクトホールの形成までの工程を示す断面図である。 Next, the manufacturing process of the semiconductor device in the present embodiment will be described with reference to FIGS. 3 (a) to 5 (b). Here, FIGS. 3A to 3C are cross-sectional views showing steps from the formation of the first and second active regions to the formation of the element isolation region in the manufacturing process of the semiconductor device of the present embodiment. . 4A to 4C are cross-sectional views showing steps from the formation of the source / drain regions to the formation of the electrodes or conductor films of the elements in the manufacturing process of the semiconductor device of the present embodiment. FIGS. 5A and 5B are cross-sectional views showing the steps from the formation of the upper electrode of the capacitor to the formation of the contact hole to the conductor portion of each element in the manufacturing process of the semiconductor device of the present embodiment.
まず、図4(a)に示す工程で、p型のSiC基板10を準備する。本実施形態においては、SiC基板10として、主面が{11-20}面(A面)に一致した方位を有する4H−SiC基板を用いる。ただし、主面が(0001)面(C面)から数度ずれた方位を有するSiC基板を用いてもよい。
First, in the step shown in FIG. 4A, a p-
そして、流量5(l/min)の酸素によってバブリングされた水蒸気雰囲気中で、SiC基板10を1100℃で3時間ほど熱酸化し、表面に厚みが約40nmの熱酸化膜を形成した後、バッファード弗酸(弗酸:フッ化アンモニウム水溶液=1:7)により、その熱酸化膜を除去する。そして、CVD装置のチャンバー内にSiC基板10を設置し、チャンバー内を10-6Pa程度(≒10-8Torr)の真空度になるまで減圧する。次に、チャンバー内に希釈ガスとして流量2(l/min)の水素ガスと流量1(l/min)のアルゴンガスとを供給し、チャンバー内の圧力を0.0933MPaとして、基板温度を約1600℃に制御する。水素ガス及びアルゴンガスの流量は上述の一定値に保持しながら、原料ガスとして流量が2(ml/min)のプロパンガスと、流量が3(ml/min)のシランガスとをチャンバー内に導入する。原料ガスは流量50(ml/min)の水素ガスで希釈されている。そして、チャンバー内で、原料ガス及び希釈ガスを供給しながら、n型不純物である窒素(ドーピングガス)をパルス状に供給することにより、SiC基板10の主面の上に、厚み約10nmのn型ドープ層12a(高濃度ドープ層)を形成する。ここで、ドーピングガスとしては例えば窒素を高圧ボンベに収納しておいて、高圧ボンベとドーピングガス供給用配管との間にパルスバルブを設ける。そして、原料ガス及び希釈ガスを供給しながら、パルスバルブを繰り返し開閉することによって、ドーピングガスをチャンバー内のSiC基板10の直上にパルス状に供給することができる。
Then, the
そして、n型ドープ層12aのエピタキシャル成長が終了すると、ドーピングガスの供給を停止させて、つまり、パルスバルブを完全に閉じた状態で、プロパンガスとシランガスとをSiC基板10の上に供給することにより、SiC基板10の主面の上に、アンドープのSiC単結晶からなる厚み約50nmのアンドープ層12b(低濃度ドープ層)をエピタキシャル成長させる。
When the epitaxial growth of the n-type doped
このようにして、原料ガスを供給しながら同時にパルスバルブを開閉してドーピングガスを導入することによるn型ドープ層12aの形成と、パルスバルブを閉じた状態にしてドーピングガスを供給しないで原料ガスの供給のみによるアンドープ層12bの形成とを各々20回ずつ繰り返すことにより、n型ドープ層12aとアンドープ層12bとを交互に20周期積層してなる第1の活性領域12を形成する。このとき、最上層にはアンドープ層12bを形成し、その厚みを他のアンドープ層12bよりも15nm程度厚くしておく。第1の活性領域12における平均の窒素濃度は、約1×1017atoms・cm-3であり、第1の活性領域12の熱酸化終了後におけるトータルの厚みは、1100nmである。
In this manner, the n-type doped
次に、原料ガスと希釈ガスはそのままにして、ドーピングガスを、p型不純物であるアルミニウムを含むガス(ドーピングガス)に切り換えることにより、第1の活性領域12の上に、厚み約10nmのp型ドープ層13a(高濃度ドープ層)を形成する。なお、第1の活性領域12の形成後、しばらくの間原料ガスと希釈ガスとの供給を続けて、第1の活性領域12の上に比較的厚めのアンドープ層を形成してから、p型ドープ層13aを形成することが好ましい。ここで、ドーピングガスとしては例えばトリメチルアルミニウム(Al(CH3)3を約10%含む水素ガスを用いる。そして、上述の第1の活性領域12を形成する際の手順と同様に、原料ガスを供給しながら同時にパルスバルブを開閉してドーピングガス(トリメチルアルミニウムを含む水素ガス)を導入することによるp型ドープ層13aの形成と、パルスバルブを閉じた状態にしてドーピングガスを供給しないで原料ガスの供給のみによるアンドープ層13bの形成とを各々20回ずつ繰り返すことにより、p型ドープ層13aとアンドープ層13bとを交互に20周期積層してなる第2の活性領域13を形成する。このとき、最上層にはアンドープ層13bを形成し、その厚みを他のアンドープ層13bよりも15nm程度厚くしておく。第2の活性領域13における平均のアルミニウム濃度は、約1×1017atoms・cm-3であり、第2の活性領域13の熱酸化終了後におけるトータルの厚みは、約1100nmである。
Next, the source gas and the dilution gas are left as they are, and the doping gas is switched to a gas containing aluminum as a p-type impurity (doping gas), thereby forming a p-type film having a thickness of about 10 nm on the first
次に、図3(b)に示す工程で、選択的エッチングにより、第2の活性領域13のうち,ショットキーダイオード20及びpMOSFET30を形成しようとする部分を除去して、ショットキーダイオード20及びpMOSFET30を形成しようとする領域に第1の活性領域12を露出させる。
Next, in the step shown in FIG. 3B, the portion of the second
次に、図3(c)に示す工程で、基板に、素子分離領域を形成するためのトレンチを形成し、トレンチ内にシリコン酸化膜を埋め込んで素子分離領域11を形成する。
Next, in the step shown in FIG. 3C, a trench for forming an element isolation region is formed in the substrate, and a silicon oxide film is buried in the trench to form the
次に、図4(a)に示す工程で、p型不純物(例えばアルミニウムイオンAl+)の注入により、ショットキーダイオード20の電極引き出し層22と、pMOSFET30のソース領域33a及びドレイン領域33bとを形成する。このとき、基板上に、p型不純物イオンを注入する領域以外の領域を覆い、p型不純物イオンを注入する領域を開口したシリコン酸化膜などからなる注入マスクを形成した後、基板温度を500〜800℃の間に加熱して、注入マスクの上方からアルミニウムイオン(Al+)などのイオン注入を行なう。さらに、不純物の活性化のためのアニールを温度1500℃で10分間行なうことにより、p型不純物濃度が約1×1018atoms・cm-3の電極引き出し層22,ソース領域33a及びドレイン領域33bを形成する。このとき、アルミニウムイオン(Al+)を、注入エネルギーが互いに異なる例えば6回のイオン注入工程に分けて基板内に注入する。例えば、第1回目のイオン注入の条件が加速電圧180keV,ドーズ量1.5×1014atoms・cm-2で、第2回目のイオン注入の条件が加速電圧130keV,ドーズ量1×1014atoms・cm-2で、第3回目のイオン注入の条件が加速電圧110keV,ドーズ量5×1013atoms・cm-2で、第4回目のイオン注入の条件が加速電圧100keV,ドーズ量8×1013atoms・cm-2で、第5回目のイオン注入の条件が加速電圧60keV,ドーズ量6×1013atoms・cm-2で、第6回目のイオン注入の条件が加速電圧30keV,ドーズ量5×1013atoms・cm-2である。イオン注入の方向は、いずれの場合にもSiC基板10の法線に対して7°傾いた方向であり、注入深さは約0.3μm
である。
Next, in the step shown in FIG. 4A, the
It is.
同様に、n型不純物(例えば窒素イオンN+)の注入により、nMOSFET40のソース領域43a及びドレイン領域43bを形成する。このとき、基板上に、n型不純物イオンを注入する領域以外の領域を覆い、n型不純物イオンを注入する領域を開口したシリコン酸化膜などからなる注入マスクを形成した後、基板温度を500〜800℃の間に加熱して、注入マスクの上方から窒素イオン(N+)などのイオン注入を行なう。さらに、不純物の活性化のためのアニールを温度1500℃で10分間行なうことにより、注入深さが約0.8μmでn型不純物濃度が約1×1018atoms・cm-3のソース領域43a及びドレイン領域43bを形成する。
Similarly, the
次に、図4(b)に示す工程で、基板上に、注入マスクを除去した後、プラズマCVD法によって厚みが約0.4μmのSiN膜を形成した後、SiN膜をパターニングして、第2の活性領域13のうちキャパシタ50及びインダクタ60を形成しようとする領域の上に、下地絶縁膜51と誘電体膜61とを形成する。
Next, in the step shown in FIG. 4B, after removing the implantation mask on the substrate, a SiN film having a thickness of about 0.4 μm is formed by the plasma CVD method, and then the SiN film is patterned, A
次に、図4(c)に示す工程で、MOSFET形成領域において、約1100℃の温度下で第1,第2の活性領域12,13の最上層のアンドープ層12b,13bの表面部(約15nmの厚み分)を熱酸化することにより、厚みが約30nmの熱酸化膜からなるゲート絶縁膜31,41を形成する。次に、ゲート絶縁膜31,41のうちソース領域33a及びドレイン領域33bの上方に位置する部分を除去して開口部を設け、開口部に真空蒸着法により形成されたNi合金膜からなるソース電極34,44及びドレイン電極35,45を形成する。このとき、同時に、ショットキーダイオード20の電極引き出し層22の上にもNi合金膜からなるオーミック電極23を形成する。さらに、ソース電極34,44,ドレイン電極35,45及びオーミック電極23と各活性領域12,13又は電極引き出し層22とのオーミックコンタクトをとるために1000℃で3分間アニールを行なう。続いて、ゲート絶縁膜31,41の上にチタン(Ti)合金膜を蒸着して、チタン合金膜からなるゲート長約1μmのゲート電極32,42を形成する。また、第1の活性領域12のショットキーダイオード20を形成する領域の上にニッケル(Ni)の蒸着を行なって、ニッケルからなるショットキー電極21を形成するとともに、キャパシタ50の下地絶縁膜51の上に白金(Pt)の蒸着を行なって白金からなる下部電極52を形成する。
Next, in the step shown in FIG. 4C, in the MOSFET formation region, the surface portions (about approximately) of the uppermost
次に、インダクタ60を形成しようとする領域において、スパイラル状の開口を有するレジスト膜を形成した後、その上に厚みが約4μmのCu膜を堆積し、リフトオフを行なって、誘電体膜61の上にスパイラル状の導体膜62を残す。なお、Cu膜に代えてアルミニウム合金膜により導体膜を構成してもよい。その場合には、アルミニウム合金膜を堆積した後、Cl2ガスとBCl3ガスとを用いたRIEドライエッチングによってアルミニウム合金膜をパターニングしてスパイラル状の導体膜62を形成する。
Next, after forming a resist film having a spiral opening in a region where the
次に、図5(a)に示す工程で、スパッタリング法によりキャパシタ50の下部電極の上にBST膜を形成した後、蒸着法によりBST膜の上に白金(Pt)膜を形成する。そして、白金膜及びBST膜を所定の形状にパターニングして、上部電極54及び容量絶縁膜53を形成する。
Next, in the step shown in FIG. 5A, a BST film is formed on the lower electrode of the
次に、基板上にシリコン酸化膜からなる層間絶縁膜70を堆積し、層間絶縁膜70に、ショットキーダイオード20のショットキー電極21及びオーミック電極23と、pMOSFET30のソース電極34及びドレイン電極35と、nMOSFET40のソース電極44及びドレイン電極45と、キャパシタ50の上部電極54及び下部電極52と、インダクタ60の導体膜62のスパイラルの中心部とにそれぞれ到達するコンタクトホール74を形成する。
Next, an
その後、各コンタクトホール74内及び層間絶縁膜70の上にアルミニウム合金膜を形成した後、これをパターニングすることにより、図1に示す半導体デバイスの構造が得られる。
Thereafter, an aluminum alloy film is formed in each
本実施形態においては、SiC層を用いたが、SiC層上に設けられる半導体装置だけではなく、例えばGaAs層,GaN層,AlGaAs層,SiGe層,SiGeC層,InP層,InGaAs層,InGaPN層など、複数の元素の化合物からなる化合物半導体基板上に設けられる半導体装置全般に本実施形態を適用することができる。その場合にも、δドープ層と低濃度ドープ層(アンドープ層を含む)とを積層した活性領域をゲート絶縁膜の下方に備えていることにより、不純物イオン散乱の低減,オフ状態におけるチャネル領域全体の空乏化,δドープ層の不純物への電荷のトラップを利用して、チャネル移動度の向上と耐圧の向上とを図ることができる。特に、SiC層,InP層,InGaAs層,InGaPN層,GaN層を用いた場合には、極めてチャネル移動度の高いデバイスが得られる。 In this embodiment, the SiC layer is used. However, not only the semiconductor device provided on the SiC layer but also, for example, a GaAs layer, a GaN layer, an AlGaAs layer, a SiGe layer, a SiGeC layer, an InP layer, an InGaAs layer, an InGaPN layer, and the like. The present embodiment can be applied to all semiconductor devices provided on a compound semiconductor substrate made of a compound of a plurality of elements. Even in this case, the active region in which the δ-doped layer and the lightly doped layer (including the undoped layer) are stacked is provided below the gate insulating film, thereby reducing impurity ion scattering and the entire channel region in the off state. The channel mobility and the breakdown voltage can be improved by utilizing the depletion of δ and trapping charges in the impurities of the δ-doped layer. In particular, when a SiC layer, InP layer, InGaAs layer, InGaPN layer, or GaN layer is used, a device with extremely high channel mobility can be obtained.
(第2の実施形態)
次に、第1の実施形態で説明した半導体デバイスをランプ点灯回路に用いた例である第2の実施形態について説明する。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment that is an example in which the semiconductor device described in the first embodiment is used in a lamp lighting circuit will be described.
図6は、本実施形態における電球型蛍光ランプ装置80の構造を示す断面図である。同図に示すように、蛍光ランプ装置80は、3本の略U字型の発光管をブリッジにより連結して構成される蛍光ランプ81と、蛍光ランプ81を点灯させるための半導体チップなどの要素を含む点灯回路82と、点灯回路82を収納するカバー83と、カバー83の先端に取り付けられた口金84と、蛍光ランプ81を周囲を覆うグローブ85と、点灯回路82を搭載するための回路基板86とを備えている。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing the structure of the bulb-type
図7は、蛍光ランプ装置80中の点灯回路82の構成を示す電気回路図である。同図に示すように、点灯回路82には、ラインフィルタ回路87と、整流回路88と、電源平滑用コンデンサ89と、インバータ回路90と、インダクタ91と、共振用コンデンサ92とを配置して構成されている。インバータ回路90はpMOSFET,nMOSFETと、インバータ用コンデンサとによって構成されている。蛍光ランプ81は共振用コンデンサ92と並列に配置されていて、蛍光ランプ81内の両端の電極93,94間に放電電流を流すことにより、蛍光が発光される構成となっている。
FIG. 7 is an electric circuit diagram showing the configuration of the
ここで、本実施形態における蛍光ランプ装置80の特徴は、図6に示すように、点灯回路82内の各部材が1つのSiC基板内に搭載されていて、点灯回路82全体が小型化されている点である。つまり、本実施形態における点灯回路82は、後述するように、例えば10〜15mm角程度にまで小型化することができ、かつ、その全体の厚みは、SiC基板の厚みに積層膜や層間絶縁膜の厚みを加えた程度にすぎないので、点灯回路82全体がきわめて薄型の構造となる。その結果、点灯回路82を口金84近辺の小径部分に配置することができ、ランプ自体の寸法の小型化を図ることができる。特に、上記第1の実施形態で説明したように、MOSFET,ショットキーダイオード等の能動素子を横型構造にして、共通のSiC基板内にMOSFET,ショットキーダイオードを設けることを可能にしたことから、集積化が容易になった。また、インダクタなどの受動素子をも共通のSiC基板上に搭載できるようにしたことにより、いっそうの小型化を図ることができる。
Here, the feature of the
図8は、本実施形態の点灯回路82と、上述の公報に記載されている従来の点灯回路(
破線参照)との大きさを比較して示す図である。本実施形態においては、以下のように各部材の占有スペースの低減を図ることができる。
FIG. 8 shows a
It is a figure which compares and shows the magnitude | size with reference to a broken line. In the present embodiment, the space occupied by each member can be reduced as follows.
MOSFETは、ゲート長が1μmであることから、インバータとしての面積は数10μmから数100μm角程度の面積内に収納できる。4つのショットキーダイオードからなる整流回路も同じかあるいはそれ以下の面積内に収納できる。 Since the gate length of the MOSFET is 1 μm, the area as an inverter can be accommodated within an area of about several tens μm to several hundreds μm square. A rectifier circuit composed of four Schottky diodes can be accommodated within the same or smaller area.
一方、インダクタは、5mm角程度の面積に線幅9μmのスパイラル状の導体膜を間隔4μmで設けたとすると、ターン数が160回程度になり、インダクタンスが780μHになる。通常、蛍光ランプ装置の点灯回路に用いられるインダクタのインダクタンスは、全体で400〜700μH程度であるので、5mm角程度の面積があればこの仕様を満足するンイダクタを設けることができる。 On the other hand, if the inductor is provided with a spiral conductor film having a line width of 9 μm and an interval of 4 μm in an area of about 5 mm square, the number of turns becomes about 160 and the inductance becomes 780 μH. Normally, the inductance of the inductor used in the lighting circuit of the fluorescent lamp device is about 400 to 700 μH as a whole, so that an inductor satisfying this specification can be provided if it has an area of about 5 mm square.
また、キャパシタ(コンデンサ)は、例えば5mm角の面積でBST膜を形成すると、BST膜の比誘電率が1000程度であり、厚みも10nm程度の薄膜化が可能であるので、約22μFの容量が得られる。通常、蛍光ランプ装置の点灯回路中の平滑用コンデンサに用いられるキャパシタの容量は、20〜30μF程度である。また、他の回路に配置されるキャパシタは、nFオーダーの容量であればよいので、それほどの面積は必要でない。したがって、図8に示すように、10〜20mm角のSiC基板上に、点灯回路全体のキャパシタを配置する領域を確保することができる。 For example, when a BST film is formed with an area of 5 mm square, the capacitor (capacitor) has a relative dielectric constant of about 1000 and a thickness of about 10 nm. can get. Usually, the capacitance of the capacitor used for the smoothing capacitor in the lighting circuit of the fluorescent lamp device is about 20 to 30 μF. In addition, capacitors arranged in other circuits need only have an nF-order capacitance, and thus do not require a large area. Therefore, as shown in FIG. 8, it is possible to secure a region for arranging the capacitor of the entire lighting circuit on a 10 to 20 mm square SiC substrate.
また、SiC基板上に形成されるMOSFETやショットキーダイオードの正常な動作を確保しうる温度は、400℃前後であるので、従来のSi基板上に設けられたFETを前提とする場合のごとく、150℃という厳しい温度の上限による種々の制約が大幅に緩和される。例えば、従来の蛍光ランプ装置においては、チョークコイルの発熱による温度が150℃を越え、かつ、ランプからの熱放散を考慮すると、インバータ回路中のFETや整流回路中のダイオードと、チョークコイルとを離れた位置に配置する必要があった。しかし、本実施形態においては、SiC基板上のMOSFET,ショットキーダイオードの耐熱性が高いことからすべての素子を近接して配置しても、耐熱性による不具合はほとんど生じない。また、点灯回路が大幅に小型化できることから、ランプ内における配置の自由度を高く確保することができ、かつ、SiC基板は熱伝導率が高く放熱性も良好であることから、点灯回路82内の各素子が蛍光ランプ81の熱放散による悪影響を受けるのを容易に回避することができる。
Further, the temperature at which the normal operation of the MOSFET and the Schottky diode formed on the SiC substrate can be ensured is around 400 ° C., so that the FET provided on the conventional Si substrate is premised. Various restrictions due to the severe upper limit of 150 ° C. are greatly relaxed. For example, in a conventional fluorescent lamp device, when the temperature due to heat generation of the choke coil exceeds 150 ° C. and heat dissipation from the lamp is taken into consideration, the FET in the inverter circuit, the diode in the rectifier circuit, and the choke coil are combined. It was necessary to arrange in a distant position. However, in the present embodiment, since the heat resistance of the MOSFET and the Schottky diode on the SiC substrate is high, even if all the elements are arranged close to each other, there is almost no problem due to the heat resistance. In addition, since the lighting circuit can be greatly reduced in size, it is possible to secure a high degree of freedom in arrangement in the lamp, and since the SiC substrate has high thermal conductivity and good heat dissipation, It is possible to easily avoid each of the elements from being adversely affected by the heat dissipation of the
また、本実施形態の点灯回路82において、インダクタやキャパシタの一部を、SiC基板の裏面に配置して、基板の面積を有効に活用することも可能である。また、石英ガラスなどのガラス中にSiC基板のチップ全体を埋め込んで、電球内に配置する構造を採ることもできる。
Further, in the
さらに、上記第2の実施形態においては、SiC基板を利用した半導体デバイスをランプの点灯回路内に配置した例を説明したが、本発明の半導体デバイスを他の機器に利用することももちろん可能である。例えば、空調機や掃除機,洗濯機,冷蔵庫などの機器においても、高温で使用されるか、狭いスペース内に制御回路を収納する必要がある場合などにおいて、本発明の半導体デバイスを配置することにより、上記実施形態で述べた効果を発揮することができる。ただし、ランプの点灯回路のように、特に小型でしかも発熱量の大きい機器においては、厳しい耐熱性と集約性とが要求されるので、本発明を適用することで、著効を発揮することができる。 Further, in the second embodiment, the example in which the semiconductor device using the SiC substrate is disposed in the lighting circuit of the lamp has been described. However, the semiconductor device of the present invention can of course be used for other equipment. is there. For example, in a device such as an air conditioner, a vacuum cleaner, a washing machine, and a refrigerator, the semiconductor device of the present invention is disposed when it is used at a high temperature or when a control circuit needs to be stored in a narrow space. Thus, the effects described in the above embodiment can be exhibited. However, strict heat resistance and intensiveness are required for devices that are particularly small and generate a large amount of heat, such as lamp lighting circuits. it can.
また、上記各実施形態においては、SiC層を用いたが、SiC層以外の半絶縁性層、たとえば、GaAs層,GaN層,AlGaAs層,SiGe層,SiGeC層,InP層,InGaPNなどによって構成される基板を用いても、上述の効果と同じ効果を発揮することができる。特に、InP基板,InGaPN基板を用いた場合には、極めて高速動作するトランジスタが得られる。 In each of the above embodiments, the SiC layer is used, but it is composed of a semi-insulating layer other than the SiC layer, for example, a GaAs layer, a GaN layer, an AlGaAs layer, a SiGe layer, a SiGeC layer, an InP layer, InGaPN, or the like. Even if a substrate is used, the same effect as described above can be exhibited. In particular, when an InP substrate or InGaPN substrate is used, a transistor operating at an extremely high speed can be obtained.
さらに、上記各実施形態においては、能動素子として横型のダイオード,MOSFETを設けたが、本発明の能動素子はかかる実施形態に限定されるものではなく、縦型のダイオードや縦型のパワーMOSFETなどにも適用することができる。すなわち、縦型の能動素子と横型の能動素子とを共通のSiC基板等の基板上に設けてもよいし、複数の縦型の能動素子を共通のSiC基板等の基板上に設けてもよい。 Further, in each of the above embodiments, a horizontal diode or MOSFET is provided as an active element. However, the active element of the present invention is not limited to such an embodiment, and a vertical diode, a vertical power MOSFET, etc. It can also be applied to. That is, the vertical active element and the horizontal active element may be provided on a common substrate such as a SiC substrate, or a plurality of vertical active elements may be provided on a common substrate such as a SiC substrate. .
次に、上記各実施形態で用いたダイオードやMOSFETに関する実測データについて説明する。 Next, actual measurement data relating to the diodes and MOSFETs used in the above embodiments will be described.
図9は、窒素の濃度が1×1018atoms・cm-3の場合におけるδドープ層のプロファイルを詳細に調べるために、ショットキーダイオードについてのC−V法による不純物濃度測定を行なった結果を示す図である。C−V法による測定は、径が300μmの円形Niショットキー電極を有するショットキーダイオードに、バイアスを、0.5Vから−0.2Vまでの間と、−0.2Vから−2Vの間とに変化させ、これに重畳して微小振幅の1MHzの高周波信号を印加して行なった。そして、同図に示す不純物濃度のプロファイルは、厚さが10nmのδドープ層と厚さが50nmのアンドープ層とを積層したものから抜き出したδドープ層についてのものである。同図に示すように、深さ方向の濃度プロファイルはほぼ上下対称形であり、本発明の実施形態のエピタキシャル方法によって、CVDによるエピタキシャル成長中のドーピングメモリ効果(ドーパントの残留効果)が無視できることを示している。そして、C−V法によるδドープ層の平面的なキャリア濃度は1.5×1012cm-2であり、ホール係数の測定から得られた平面的なキャリア濃度約2.5×1012cm-2に比較的よく一致している。そして、このパルス状のプロファイルの半値幅は、12nmと形成されており、顕著な急峻性を示している。 FIG. 9 shows the result of measuring the impurity concentration by the CV method for a Schottky diode in order to examine in detail the profile of the δ-doped layer when the nitrogen concentration is 1 × 10 18 atoms · cm −3. FIG. The measurement by the CV method shows that a bias is applied to a Schottky diode having a circular Ni Schottky electrode having a diameter of 300 μm between 0.5 V and −0.2 V and between −0.2 V and −2 V. And a high frequency signal of 1 MHz with a minute amplitude was applied by superimposing it. The impurity concentration profile shown in the figure is for a δ-doped layer extracted from a laminate of a δ-doped layer having a thickness of 10 nm and an undoped layer having a thickness of 50 nm. As shown in the figure, the concentration profile in the depth direction is almost vertically symmetric, indicating that the doping memory effect (dopant residual effect) during epitaxial growth by CVD can be ignored by the epitaxial method of the embodiment of the present invention. ing. The planar carrier concentration of the δ-doped layer by the CV method is 1.5 × 10 12 cm −2 , and the planar carrier concentration obtained from the Hall coefficient measurement is about 2.5 × 10 12 cm 2. Matches -2 relatively well. And the half width of this pulse-like profile is formed with 12 nm, and shows a remarkable steepness.
図10は、6H−SiC基板中のδドープ層のバンド端フォトルミネッセンススペクトルの測定結果を示す図である。このスペクトルは温度8Kの下で得られたものであり、励起源として強度0.5mWのHe−Cdレーザーが用いられている。ここでは、厚さ10nmのδドープ層と厚さ50nmのアンドープ層とを積層したもののアンドープ層から得られたスペクトルと、厚さ1μmのアンドープ層から得られたスペクトルとを比較している。同図に示すように、両者のスペクトルパターンが同じ波長領域で同じ強度の発光ピークを有しているので、両者の不純物濃度が同じであることがわかる。言い換えると、δドープ層とアンドープ層とからなる積層構造中のアンドープ層には、δドープ層からの不純物の拡散による不純物濃度の上昇がほとんどみられず、ほぼ所望の不純物濃度プロファイルを維持しながら積層されていることがわかる。特筆すべきは、アンドープ層の不純物濃度が、5×1016atoms・cm-3程度の低い値に制御されている点である。PL法を用いることにより、本発明のδドープ層とアンドープ層とを交互に積層して得られる活性領域中のアンドープ層の不純物濃度が5×1016atoms・cm-3程度の低濃度であることが確認された。 FIG. 10 is a diagram showing the measurement result of the band edge photoluminescence spectrum of the δ-doped layer in the 6H—SiC substrate. This spectrum was obtained at a temperature of 8K, and a He—Cd laser having an intensity of 0.5 mW was used as an excitation source. Here, a spectrum obtained from an undoped layer of a stack of a δ-doped layer having a thickness of 10 nm and an undoped layer having a thickness of 50 nm is compared with a spectrum obtained from an undoped layer having a thickness of 1 μm. As shown in the figure, since both spectrum patterns have emission peaks with the same intensity in the same wavelength region, it can be seen that the impurity concentrations of both are the same. In other words, the undoped layer in the laminated structure composed of the δ-doped layer and the undoped layer shows almost no increase in impurity concentration due to the diffusion of impurities from the δ-doped layer, while maintaining a substantially desired impurity concentration profile. It can be seen that they are stacked. It should be noted that the impurity concentration of the undoped layer is controlled to a low value of about 5 × 10 16 atoms · cm −3 . By using the PL method, the impurity concentration of the undoped layer in the active region obtained by alternately laminating the δ-doped layer and the undoped layer of the present invention is as low as about 5 × 10 16 atoms · cm −3. It was confirmed.
図11(a),(b)は、それぞれ順に、6H−SiC層の電子移動度の温度依存性と電子濃度の温度依存性とを示すデータである。図11(a),(b)において、○印のデータは、厚みが10nmのδドープ層(ドーパントは窒素)と、厚みが50nmのアンドープ層とを積層してなる6H−SiC層(サンプルA)についてのデータである。■印のデータは、6H−SiCの低濃度均一ドープ層(1.8×1016cm-3)についてのデータであり、▲印のデータは6H−SiCの高濃度均一ドープ層(1.3×1018cm-3)についてのデータである。図11(a),(b)に示すように、6H−SiCの低濃度均
一ドープ層(1.8×1016cm-3)においては、不純物濃度が低いので、キャリアの走行時にキャリアが不純物から受ける散乱が小さくなることにより、電子の移動度が大きい。一方、6H−SiCの高濃度均一ドープ層(1.3×1018cm-3)においては、不純物濃度が高いので、キャリアの走行時にキャリアが不純物から受ける散乱が大きくなることにより、電子移動度が小さい。つまり、キャリア濃度とキャリアの走行特とは、互いにトレードオフの関係にある。それに対し、サンプルAの活性領域中のδドープ層においては、高濃度均一ドープ層と同程度に電子濃度が高く、かつ、電子の移動度が高いことがわかる。すなわち、本発明の活性領域は、高い電子濃度を有していながら、高い電子移動度を実現することができるので、ダイオードやトランジスタの電子が走行する領域に適した構造となっていることがわかる。なお、キャリアがホールである場合にも、原理的には電子の場合と変わりがないので、p型のδ層におけるホール濃度を高くしつつ、高いホール移動度を実現することができると考えることができる。
FIGS. 11A and 11B are data showing the temperature dependence of the electron mobility and the temperature dependence of the electron concentration of the 6H—SiC layer, respectively. 11 (a) and 11 (b), the data marked with ◯ is a 6H—SiC layer (sample A) formed by laminating a δ-doped layer having a thickness of 10 nm (a dopant is nitrogen) and an undoped layer having a thickness of 50 nm. ). The data marked with (2) is the data for the low concentration uniformly doped layer (1.8 × 10 16 cm −3 ) of 6H—SiC, and the data marked with ▲ is the highly doped layer with high concentration of 6H—SiC (1.3 × 3 ). × 10 18 cm -3 ). As shown in FIGS. 11A and 11B, in the 6H—SiC low concentration uniform doped layer (1.8 × 10 16 cm −3 ), the impurity concentration is low, so that the carrier is an impurity during the traveling of the carrier. As the scattering received from the electron beam decreases, the mobility of electrons increases. On the other hand, in the high concentration uniform doped layer (1.3 × 10 18 cm −3 ) of 6H—SiC, since the impurity concentration is high, the scattering that the carriers receive from the impurities during the traveling of the carriers increases, so that the electron mobility is increased. Is small. That is, the carrier concentration and the running characteristics of the carrier are in a trade-off relationship with each other. In contrast, in the δ-doped layer in the active region of sample A, it can be seen that the electron concentration is as high as the high-concentration uniformly doped layer and the electron mobility is high. That is, since the active region of the present invention can achieve high electron mobility while having a high electron concentration, it can be seen that the active region has a structure suitable for the region where electrons of diodes and transistors travel. . It should be noted that even when the carriers are holes, in principle, there is no difference from the case of electrons, so that it is possible to achieve high hole mobility while increasing the hole concentration in the p-type δ layer. Can do.
図12は、上述の厚みが10nmのδドープ層と厚みが50nmのアンドープ層とを積層してなる活性領域を有するサンプルAと、厚みが20nmのδドープ層と厚みが100nmのアンドープ層とを積層してなる活性領域を有するサンプルBとにおける電子移動度の温度依存性を示すデータである。この電子移動度のデータは、温度77〜300Kの範囲において測定されている。上述のように、サンプルAとBとにおけるδドープ層とアンドープ層との厚みの比をいずれも1:5と共通化してサンプルA,Bの平均的な不純物濃度を同じにしているにも拘わらず、同図に示すように、サンプルAにおける電子移動度は、サンプルBにおける電子移動度に比べて大きいことがわかる。特に、低温領域においては、サンプルBにおける電子移動度は、温度が低くなるにしたがって、イオン化された不純物による散乱のために低下しているが、サンプルAにおいては、温度が低くなっても高い電子移動度が維持されていることが示されている。 FIG. 12 shows a sample A having an active region formed by stacking the above-mentioned δ-doped layer having a thickness of 10 nm and an undoped layer having a thickness of 50 nm, a δ-doped layer having a thickness of 20 nm, and an undoped layer having a thickness of 100 nm. It is data which shows the temperature dependence of the electron mobility in the sample B which has the active region formed by laminating. This electron mobility data is measured in the temperature range of 77 to 300K. As described above, although the ratio of the thicknesses of the δ-doped layer and the undoped layer in Samples A and B are both 1: 5, the average impurity concentration of Samples A and B is the same. As shown in the figure, it can be seen that the electron mobility in sample A is larger than the electron mobility in sample B. In particular, in the low temperature region, the electron mobility in the sample B decreases due to scattering by ionized impurities as the temperature decreases, but in the sample A, the electron mobility increases even when the temperature decreases. It is shown that mobility is maintained.
図13(a),(b)は、厚みが10nmのδドープ層を有するサンプルAにおける伝導帯端のバンド構造をシミュレーションした結果を示す図、及びキャリア濃度分布をシミュレーションした結果を示す図である。図14(a),(b)は、厚みが20nmのδドープ層を有するサンプルBにおける伝導帯端のバンド構造をシミュレーションした結果を示す図、及びキャリア濃度分布をシミュレーションした結果を示す図である。図13(a),図14(a)に示すように、δドープ層に対して直交する断面においては、電子は、正にチャージしたドナー層によって構成されたV型のクーロンポテンシャル(量子井戸)に閉じ込められ、この井戸内で量子状態が形成される。電子の実効質量は1.1であり、6H−SiC層の比誘電率は9.66である。アンドープ層に用いられる6H−SiC層のバックグラウンドのキャリア濃度は約1×1015cm-3であり、n型δドープ層のキャリア濃度は1×1018cm-3である。 FIGS. 13A and 13B are diagrams showing the results of simulating the band structure at the conduction band edge in Sample A having a δ-doped layer having a thickness of 10 nm, and the results of simulating the carrier concentration distribution. . FIGS. 14A and 14B are diagrams showing the results of simulating the band structure at the conduction band edge in Sample B having a δ-doped layer having a thickness of 20 nm, and the results of simulating the carrier concentration distribution. . As shown in FIGS. 13A and 14A, in a cross section orthogonal to the δ-doped layer, electrons are V-type Coulomb potential (quantum well) constituted by a positively charged donor layer. And a quantum state is formed in this well. The effective mass of electrons is 1.1, and the relative dielectric constant of the 6H—SiC layer is 9.66. The background carrier concentration of the 6H—SiC layer used for the undoped layer is about 1 × 10 15 cm −3 , and the carrier concentration of the n-type δ doped layer is 1 × 10 18 cm −3 .
図13(b)に示すように、厚みが10nmのδドープ層(サンプルA)においては、2次元電子が2つのδドープ層によって挟まれたアンドープ層にまで広く分布していて、電子濃度が2×1016m-3以上の領域は界面から25nmの範囲である。つまり、図1に示すn型ドープ層12a(δドープ層)からアンドープ層12bにまでキャリアが浸みだしていることがわかる。
As shown in FIG. 13B, in the δ-doped layer (sample A) having a thickness of 10 nm, two-dimensional electrons are widely distributed to the undoped layer sandwiched between two δ-doped layers, and the electron concentration is The region of 2 × 10 16 m −3 or more is a range of 25 nm from the interface. In other words, it can be seen that carriers have oozed from the n-type doped
一方、図14(b)に示すように、厚みが20nmの厚いδドープ層(サンプルB)においては、電子の波動関数によって規定されるキャリアの存在確率の高い領域と、イオン化散乱中心を有するδドープ層とが強くオーバーラップしていて、電子濃度が2×1016cm-3以上の領域は界面から11nmの範囲である。つまり、キャリアのδドープ層からアンドープ層への浸みだしが比較的少ないことがわかる。 On the other hand, as shown in FIG. 14B, in a thick δ-doped layer (sample B) having a thickness of 20 nm, a region having a high carrier existence probability defined by an electron wave function and a δ having an ionized scattering center. The region where the doped layer strongly overlaps and the electron concentration is 2 × 10 16 cm −3 or more is in the range of 11 nm from the interface. That is, it can be seen that the carrier leaching from the δ-doped layer to the undoped layer is relatively small.
以上の実施形態や他のシミュレーションデータなどを総合すると、高濃度ドープ層の厚
みは、SiC層を用いる場合には、1モノレイヤー以上で20nm未満であることが好ましいことがわかった。また、低濃度ドープ層(アンドープ層を含む)の厚みは、約10nm以上で約100nm以下であることが好ましい。これらの高濃度ドープ層と低濃度ドープ層の厚みは、それぞれ、これらを利用して形成される能動素子(ダイオード,トランジスタなど)の種類や目的に応じて適宜選択することができる。
When the above embodiment and other simulation data are combined, it has been found that the thickness of the highly doped layer is preferably one monolayer or more and less than 20 nm when the SiC layer is used. The thickness of the lightly doped layer (including the undoped layer) is preferably about 10 nm or more and about 100 nm or less. The thicknesses of the high-concentration doped layer and the low-concentration doped layer can be appropriately selected according to the type and purpose of the active element (diode, transistor, etc.) formed using them.
(第3の実施形態)
第3の実施形態においては、δドープ層とアンドープ層との積層構造を利用した大電流のスイッチングトランジスタとして機能するACCUFET(AccumulationModeFET)を第1の実施形態における集積型の半導体デバイスのMOSFETの代わりに用いる。
(Third embodiment)
In the third embodiment, an ACCUFET (AccumulationModeFET) functioning as a high-current switching transistor using a laminated structure of a δ-doped layer and an undoped layer is used instead of the MOSFET of the integrated semiconductor device in the first embodiment. Use.
図15は、本実施形態におけるACCUFET部分のみの構造を示す断面図である。同図に示すように、濃度1×1018atoms・cm-3のアルミニウム(p型不純物)がドープされたp型のSiC基板130の上には、平均濃度約1×1017atoms・cm-3のアルミニウムがドープされたp型の下部活性領域131と、下部活性領域131の上に形成され平均濃度約1×1017atoms・cm-3の窒素がドープされたn型の上部活性領域132と、上部活性領域132及び下部活性領域131内に濃度1×1018cm-3の窒素を注入して形成されたn型のソース領域133a及びドレイン領域133bと、上部活性領域132の上に形成されたSiO2からなるゲート絶縁膜134と、ゲート絶縁膜134の上に形成されたNi合金膜からなるゲート電極135と、ソース領域133a及びドレイン領域133bにそれぞれオーミックコンタクトするNi合金膜からなるソース電極136a及びドレイン電極136bと、SiC基板130の裏面にオーミックコンタクトするNi合金膜からなる裏面電極137とを備えている。
FIG. 15 is a cross-sectional view showing the structure of only the ACCUFET portion in the present embodiment. As shown in the figure, on the p-
ここで、図15の右方に拡大して示すように、下部活性領域131は、高濃度(例えば1×1018atoms・cm-3)のアルミニウムを含む厚みが約10nmのp型ドープ層131aと、アンドープのSiC単結晶からなる厚み約50nmのアンドープ層131bとを交互に、約40層ずつ積層して構成されている。そして、トータル厚みが約2400nmである。そして、p型ドープ層131aは、量子効果によるアンドープ層131bへのキャリアの浸みだしが可能な程度に薄く形成されていることから、キャリアのしみ出しに伴ってp型ドープ層131aには負の電荷がトラップされる。
Here, as shown on the right side of FIG. 15, the lower
一方、図15の左方に拡大して示すように、上部活性領域132は、高濃度(例えば1×1018atoms・cm-3)の窒素を含む厚みが約10nmのn型ドープ層132aと、アンドープのSiC単結晶からなる厚さ約50nmのアンドープ層132bとを交互に、各々5層ずつ積層して構成されている。つまり、トータル厚みが約300nmである。そして、量子効果によってn型ドープ層132aに量子準位が生じ、n型ドープ層132a中の局在する電子の波動関数はある程度の広がりを持つようになる。その結果、上述のように、電子がn型ドープ層132aだけでなくアンドープ層132bにも存在するような分布状態となる。この状態で、上部活性領域132のポテンシャルが高められ、量子効果によってn型ドープ層132aからアンドープ層132bに電子が広がった状態になると、n型ドープ層132a,アンドープ層132bに絶えず電子が供給される。そして、電子が不純物濃度の低いアンドープ層132bを流れるので、不純物イオン散乱の低減により、高いチャネル移動度が得られる。一方、オフ状態では上部活性領域132全体が空乏化され、上部活性領域132には電子が存在しなくなるので、不純物濃度の低いアンドープ層132bによって耐圧が規定され、上部活性領域132全体において高い耐圧値が得られることになる。よって、上部活性領域132を利用してソース・ドレイン領域133a,133b間に大電流を流すように構成されたACCUFETにおいて、高いチャネル移動度と、高い耐圧とを同時に実現することが可能になる。
On the other hand, as shown on the left in FIG. 15, the upper
また、上述のように、アンドープ層132bにおける不純部濃度が低いことから、上部活性領域132をチャネル層として用いることにより、ゲート絶縁膜134やゲート絶縁膜134−上部活性領域132間の界面付近にトラップされる電荷の低減によるチャネル移動度の向上と、不純物イオン散乱の低減によるチャネル移動度の向上と、耐圧性の向上とを図ることができる。
Further, as described above, since the impurity concentration in the
そして、第1の実施形態におけるMOSFETの代わりに本実施形態のACCUFETを用いることにより、より大電力を必要とするランプ装置に適した半導体デバイスを構成することができる。 Then, by using the ACCUFET of this embodiment instead of the MOSFET in the first embodiment, a semiconductor device suitable for a lamp apparatus that requires higher power can be configured.
本実施形態のACCUFETについての電流電圧特性(ドレイン電流とドレイン電圧との関係)のゲート電圧依存性を調べたところ、第1の実施形態におけるnチャネル型MOSFETに比べて飽和電流量がさらに増大していることがわかった。さらに、ドレイン電圧が400V以上においてもブレークダウンなしに安定なドレイン電流が得られ、オフ状態における絶縁破壊電圧は600V以上であり、オン抵抗も1mΩ・cm2という低い値が実現できた。 When the gate voltage dependency of the current-voltage characteristics (the relationship between the drain current and the drain voltage) of the ACCUFET of this embodiment was examined, the saturation current amount further increased as compared with the n-channel MOSFET in the first embodiment. I found out. Further, a stable drain current was obtained without breakdown even when the drain voltage was 400 V or higher, the dielectric breakdown voltage in the off state was 600 V or higher, and the on-resistance was as low as 1 mΩ · cm 2 .
特に、ACCUFETは、飽和電流値が大きくオン抵抗が小さい点に特徴があるが、まだ実用化に至っていない大きな理由の1つとして、オフ状態における耐圧性に乏しいという難点がある。ところが、本実施形態のACCUFETでは、上述のようにδドープ層とアンドープ層との積層構造を利用することによって、オフ状態における高い耐圧性を確保することができるので、ACCUFETの実用化に大きく前進したといえよう。 In particular, ACCUFET is characterized in that the saturation current value is large and the on-resistance is small. However, one of the major reasons that ACCUFET has not yet been put into practical use is that it has poor withstand voltage in the off state. However, in the ACCUFET of this embodiment, since the high breakdown voltage in the OFF state can be secured by using the laminated structure of the δ-doped layer and the undoped layer as described above, the ACCUFET is greatly advanced to practical use. I can say that.
なお、本実施形態のACCUFETを有する集積型半導体デバイスの製造工程は、基本的に第1の実施形態における集積型半導体デバイスの製造工程とほとんど変わらないので、説明を省略する。 Note that the manufacturing process of the integrated semiconductor device having the ACCUFET of this embodiment is basically the same as the manufacturing process of the integrated semiconductor device in the first embodiment, and a description thereof will be omitted.
なお、本実施形態においては、δドープ層とアンドープ層とを交互に積層してなる下部活性領域131を設けたが、下部活性領域は必ずしもなくてもよい。また、下部活性領域に代えて均一にドープされた低濃度ドープ層又はアンドープ層を設けてもよい。ただし、δドープ層とアンドープ層とを交互に積層してなる下部活性領域131を設けることにより、チャネル下方領域における耐圧をより高めることができる。
In the present embodiment, the lower
図16は、本実施形態のACCUFETについて、ゲートバイアスVgを−5Vから25Vまで5V刻みに変えたときのI−V特性(ドレイン電圧の変化に対するドレイン電流の変化特性)を示す図である。このI−V特性からわかるように、ゲートバイアスが15Vとパワーデバイスでは比較的低い値に設定しても、220mA/mm程度の大きなドレイン電流が得られている。つまり、本発明のACCUFETの電流駆動力が大きいことが確認された。 FIG. 16 is a diagram showing IV characteristics (change characteristics of drain current with respect to changes in drain voltage) when the gate bias Vg is changed from −5 V to 25 V in increments of 5 V for the ACCUFET of this embodiment. As can be seen from the IV characteristics, a large drain current of about 220 mA / mm is obtained even when the gate bias is set to 15 V, which is a relatively low value in a power device. That is, it was confirmed that the ACCUFET of the present invention has a large current driving force.
図17は、図16のデータに基づく計算によって得られた,実効チャネル移動度のゲート電圧依存性を示す図である。同図に示すように、本実施形態のACCUFETは、ゲートバイアスを高くしたときでも50(cm2/Vs)以上の実効チャネル移動度を有することが確認されている。つまり、FETの電流駆動力は実効チャネル移動度に比例するが、本実施形態のACCUFETは、上述のようなδドープ層とアンドープ層とを交互に積層した構造を有していることから、高い実効チャネル移動度を発揮し、その結果、大きな電流駆動力を発揮していることがわかる。 FIG. 17 is a diagram showing the gate voltage dependence of the effective channel mobility obtained by calculation based on the data of FIG. As shown in the figure, it is confirmed that the ACCUFET of this embodiment has an effective channel mobility of 50 (cm 2 / Vs) or more even when the gate bias is increased. That is, the current driving force of the FET is proportional to the effective channel mobility, but the ACCUFET of this embodiment has a structure in which the δ-doped layer and the undoped layer are alternately stacked as described above, and thus is high. It can be seen that the effective channel mobility is exhibited, and as a result, a large current driving force is exhibited.
(その他の実施形態)
また、SiC層以外の半導体層も用いることができる。例えば、InP基板上のIn
P層,InGaAs層又はInGaPN層を用いることができる。また、サファイア基板,GaN基板などの上のGaN層を用いることもできる。さらに、GaAs層,AlGaAs層,GaN層,AlGaN層,SiGe層,SiGeC層など、公知の化合物半導体層を用いることができる。これらの化合物半導体層の場合には、高濃度ドープ層(δドープ層)の厚みはその材料に応じて適正な厚みが定められる。例えば、GaAs層を用いる場合には、1モノレイヤーのδドープ層を設けることができる。一般的には、キャリアの供給能力を適正に維持できさえすれば、同じ厚みで耐圧値を向上させるためには、高濃度ドープ層(δドープ層)の厚みは薄いほど好ましいといえる。
(Other embodiments)
A semiconductor layer other than the SiC layer can also be used. For example, In on the InP substrate
A P layer, an InGaAs layer, or an InGaPN layer can be used. A GaN layer on a sapphire substrate, a GaN substrate, or the like can also be used. Furthermore, known compound semiconductor layers such as a GaAs layer, an AlGaAs layer, a GaN layer, an AlGaN layer, a SiGe layer, and a SiGeC layer can be used. In the case of these compound semiconductor layers, the thickness of the highly doped layer (δ-doped layer) is determined appropriately depending on the material. For example, when a GaAs layer is used, one monolayer δ-doped layer can be provided. In general, it can be said that as long as the carrier supply capability can be properly maintained, the thickness of the high-concentration doped layer (δ-doped layer) is preferably as small as possible in order to improve the pressure resistance value with the same thickness.
特に、InP基板を用いる場合について説明する。この場合の半導体デバイス構造は、図1に示す構造と基本的は同じであり、InP基板上のInGaAs層を利用して、ショットキーダイオード,MOSFET,キャパシタ及びインダクタを集積してなる集積型の半導体デバイスを構成することができる。 In particular, a case where an InP substrate is used will be described. The semiconductor device structure in this case is basically the same as the structure shown in FIG. 1, and an integrated semiconductor in which a Schottky diode, MOSFET, capacitor and inductor are integrated using an InGaAs layer on an InP substrate. The device can be configured.
その場合、Si基板10に代えて、高濃度の鉄(Fe)がドープされた厚み約100μmの半絶縁性のInP基板を用いる。また、第1の活性領域12の代わりに、高濃度(例えば1×1020atoms・cm-3)のSi(シリコン)を含む厚みが約1nmのInGaAs単結晶(成分比は例えばIn0.53Ga0.47As)からなるn型ドープ層と、InGaAs単結晶(成分比は例えばIn0.53Ga0.47As)からなる厚みが約10nmのアンドープ層とを交互に複数層ずつ積層したものを用いる。また、第2の活性領域13の代わりに、高濃度(例えば1×1020atoms・cm-3)のZn(Be)を含む厚みが約1nmのp型ドープ層と、アンドープのInAlAs単結晶(成分比は例えばIn0.52Al0.48As)からなる厚みが約10nmのアンドープ層とを交互に複数層ずつ積層したものを用いる。
In that case, instead of the
InP基板上に形成されるInGaAs層又はInGaPN層を電子走行領域として用いると、極めて高い電子の移動度が得られることが知られている。したがって、この特性を利用して、極めて高い周波数波領域(30GHz〜60GHz)で動作するスイッチングトランジスタを搭載した点灯回路が得られる。 It is known that when an InGaAs layer or InGaPN layer formed on an InP substrate is used as an electron transit region, extremely high electron mobility can be obtained. Therefore, a lighting circuit equipped with a switching transistor that operates in an extremely high frequency wave region (30 GHz to 60 GHz) can be obtained using this characteristic.
そして、InP基板上のInGaAs層を用いた場合にも、第1の実施形態と同様に、ショットキーダイオード,キャパシタ及びインダクタを設けることができる。特に、InP基板は耐熱性が大きく,かつ熱伝導率も高いことから、インダクタを設ける場合にも、インダクタを構成する導体膜の微細化が可能であり、より微細なパターン、例えば、幅が1〜2μmで間隙が1〜2μm程度の形状も可能である。 Even when an InGaAs layer on an InP substrate is used, a Schottky diode, a capacitor, and an inductor can be provided as in the first embodiment. In particular, since the InP substrate has high heat resistance and high thermal conductivity, the conductor film constituting the inductor can be miniaturized even when the inductor is provided, and a finer pattern, for example, a width of 1 can be obtained. A shape with a gap of about 1-2 μm and a gap of about 1-2 μm is also possible.
10 SiC基板
11 素子分離領域
12 第1の活性領域
12a n型ドープ層
12b アンドープ層
13 第2の活性領域
13a p型ドープ層
13b アンドープ層
20 ショットキーダイオード
21 ショットキー電極
22 電極引き出し層
23 オーミック電極
30 pMOSFET
31 ゲート絶縁膜
32 ゲート電極
33a ソース領域
33b ドレイン領域
34 ソース電極
35 ドレイン電極
40 nMOSFET
41 ゲート絶縁膜
42 ゲート電極
43a ソース領域
43b ドレイン領域
44 ソース電極
45 ドレイン電極
50 キャパシタ
51 下地絶縁膜
52 下部電極
53 容量絶縁膜
54 上部電極
60 インダクタ
61 誘電体膜
62 導体膜
70 層間絶縁膜
71 コンタクト
72 配線
74 コンタクトホール
75 パッド
80 蛍光ランプ装置
81 蛍光ランプ
82 点灯回路
83 カバー
84 口金
85 グローブ
86 回路基板
87 ラインフィルタ回路
88 整流回路
89 電源平滑用コンデンサ
90 インバータ回路
91 インダクタ
92 共振用コンデンサ
93,94 電極
DESCRIPTION OF
31
41
Claims (4)
上記化合物半導体層の上に設けられ、キャリア走行領域として機能する複数の第1の半導体層と、高濃度のキャリア用不純物を含み上記第1の半導体層よりも膜厚が薄く量子効果によるキャリアの分布が可能な複数の第2の半導体層とを交互に積層して構成される活性領域がチャンネル層となる複数の能動素子と、
上記化合物半導体層の上に設けられたインダクタと
を備え、
上記複数の第1の半導体層及び上記複数の第2の半導体層は、SiC層であることを特徴とする半導体パワーデバイス。 A compound semiconductor layer provided on the SiC substrate;
A plurality of first semiconductor layers provided on the compound semiconductor layer and functioning as a carrier traveling region, and containing a high concentration of carrier impurities, the thickness of the carrier is smaller than that of the first semiconductor layer and due to quantum effects. A plurality of active elements in which an active region formed by alternately stacking a plurality of second semiconductor layers capable of distribution becomes a channel layer ;
An inductor provided on the compound semiconductor layer ,
The semiconductor power device , wherein the plurality of first semiconductor layers and the plurality of second semiconductor layers are SiC layers .
上記化合物半導体層の上に設けられ、キャリア走行領域として機能する1つの第1の半導体層と、高濃度のキャリア用不純物を含み上記第1の半導体層よりも膜厚が薄く量子効果によるキャリアの分布が可能な1つの第2の半導体層とを積層して構成される活性領域がチャンネル層となる複数の能動素子と、
上記化合物半導体層の上に設けられたインダクタと
を備え、
上記第1の半導体層及び上記第2の半導体層は、SiC層であることを特徴とする半導体パワーデバイス。 A compound semiconductor layer provided on the SiC substrate;
One first semiconductor layer provided on the compound semiconductor layer and functioning as a carrier traveling region, and containing a high concentration of carrier impurities, the thickness of the carrier is smaller than that of the first semiconductor layer and due to quantum effects. A plurality of active elements in which an active region formed by stacking one second semiconductor layer capable of distribution becomes a channel layer;
An inductor provided on the compound semiconductor layer;
With
The semiconductor power device, wherein the first semiconductor layer and the second semiconductor layer are SiC layers .
上記複数の能動素子は、上記第1の半導体層をゲート絶縁膜の直下方に有するMISFETを含むことを特徴とする半導体パワーデバイス。 The semiconductor power device according to claim 1 or 2 ,
The plurality of active elements, a semiconductor power device which comprises a MISFET having the first semiconductor layer just below the gate insulating film.
上記活性領域として、上記第2の半導体層におけるキャリア用不純物が第1導電型不純物である第1の活性領域と、該第1の活性領域の上に形成され上記第2の半導体層におけるキャリア用不純物が第2導電型不純物である第2の活性領域とを有し、
上記第2の活性領域の一部が除去されて、上記第1の活性領域が基板の最上層に露出しており、
上記第1の活性領域が露出している部分には、第2導電型MISFETが設けられている一方、上記第2の活性領域には、第1導電型MISFETが設けられていることを特徴とする半導体パワーデバイス。 The semiconductor power device according to claim 1 or 2 ,
As the active region, a carrier active in the second semiconductor layer is formed on the first active region in which the carrier impurity in the second semiconductor layer is a first conductivity type impurity and on the first active region. A second active region in which the impurity is a second conductivity type impurity;
A portion of the second active region is removed, and the first active region is exposed on the top layer of the substrate;
The portion where the first active region is exposed is provided with a second conductivity type MISFET, while the second active region is provided with a first conductivity type MISFET. Semiconductor power device.
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