KR102459067B1 - Enhancement-mode semiconductor device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 임계 전압과 온저항 조절을 용이하게 하여 스위칭 소자로서의 동작 특성을 향상시킬 수 있는 E-모드 반도체 소자에 관한 것으로,
본 발명의 실시예에 따른 E-모드 반도체 소자는,
기판; 상기 기판 상에 형성되고, 제1 농도로 도핑된 버퍼층; 상기 버퍼층 상에 형성되고, 상기 제1 농도 보다 큰 제2 농도로 도핑된 바디층; 상기 바디층 상에 형성되고, 상기 제2 농도 보다 큰 제3 농도로 도핑되며, 게이트 전극이 형성되는 리세스를 포함하는 채널층;을 포함한다.The present invention relates to an E-mode semiconductor device capable of improving operating characteristics as a switching device by facilitating adjustment of threshold voltage and on-resistance,
An E-mode semiconductor device according to an embodiment of the present invention,
Board; a buffer layer formed on the substrate and doped with a first concentration; a body layer formed on the buffer layer and doped with a second concentration greater than the first concentration; and a channel layer formed on the body layer, doped with a third concentration greater than the second concentration, and including a recess in which a gate electrode is formed.
Description
본 발명은 임계 전압과 온저항 조절을 용이하게 하여 스위칭 소자로서의 동작 특성을 향상시킬 수 있는 E-모드 반도체 소자에 관한 것이다.The present invention relates to an E-mode semiconductor device capable of improving operating characteristics as a switching device by facilitating adjustment of a threshold voltage and an on-resistance.
β-Ga2O3는 4.9 eV의 큰 에너지 밴드갭 특성을 갖는 재료 물성으로,“고내압, 저손실, 낮은 온저항”특성을 갖는 파워 소자용 차세대 반도체 재료로써 매우 각광받고 있으며, 밴드갭에 따른 항복전압 특성을 고려해 보았을 때, 8 MV/cm의 매우 높은 특성을 가지고 있어 정격 전압이 높은 산업분야에 활용이 기대된다.β-Ga 2 O 3 is a material property with a large energy bandgap of 4.9 eV, and is very popular as a next-generation semiconductor material for power devices with “high withstand voltage, low loss, and low on-resistance” characteristics. Considering the breakdown voltage characteristics, it has a very high characteristic of 8 MV/cm, so it is expected to be used in industrial fields with high rated voltage.
산화물 반도체 특성상 전자 이동도는 약 300 cm2/(V·s)로 다른 반도체보다 상대적으로 낮은 값을 갖지만, 전력 소자에 적합한 물질을 평가하는 Baliga’s Figure-of-merits (BFOM)의 성능지수를 볼 때, GaN과 SiC 보다 약 4∼5배 이상의 특성을 가지고 있어 차세대 전력 반도체로 각광받는 물질이다.Due to the characteristics of oxide semiconductors, the electron mobility is about 300 cm 2 /(V s), which is relatively low compared to other semiconductors. It has about 4 to 5 times more properties than GaN and SiC, so it is a material that is in the spotlight as a next-generation power semiconductor.
기존 β-Ga2O3 물질을 이용한 반도체 소자를 전력 스위칭 소자로 사용하기 위해서는 normally-off (E-mode) 동작이 요구된다. 그러나 β-Ga2O3는 P 타입 도핑이나 이온 주입이 아직 기술적으로 어렵기에 반전 채널(inversion channel)을 갖는 E-모드(enhancement-mode) 구현의 어려움이 있으며, 대부분 D-모드(depletion-mode) 동작의 FET 기술로 보고되고 있다.In order to use a semiconductor device using an existing β-Ga 2 O 3 material as a power switching device, a normally-off (E-mode) operation is required. However, β-Ga 2 O 3 is difficult to implement E-mode (enhancement-mode) having an inversion channel because P-type doping or ion implantation is still technically difficult, and most of the D-mode (depletion-mode) ) is reported as a FET technology in operation.
도 1 및 도 2를 참조하여, D-모드를 갖는 반도체 소자(이하, D-모드 반도체 소자)를 설명한다. 도 1은 D-모드를 갖는 반도체 소자가 도시된 단면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 반도체 소자의 출력 전류-전압 특성을 보여주는 그래프이다.A semiconductor device having a D-mode (hereinafter, a D-mode semiconductor device) will be described with reference to FIGS. 1 and 2 . FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device having a D-mode, and FIG. 2 is a graph showing output current-voltage characteristics of the semiconductor device shown in FIG. 1 .
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 D-모드 반도체 소자는 기판(10a)과 기판 상에 형성된 버퍼층(20a)과, 버퍼층 상에 형성된 채널층(30a)과, 채널층(30a) 상에 형성된 절연층(40a)과 소스(S) 및 드레인 전극(D)과, 절연층 상에 형성된 게이트 전극(G)을 포함한다. 채널층(30a)과 소스(S) 및 드레인 전극(D) 사이에는 오믹 컨택층(60a)이 형성된다. 절연층(40a), 소스(S), 드레인 전극(D), 게이트 전극(G) 상에는 소자를 보호하는 패시베이션층(50a)이 형성된다.1 , a conventional D-mode semiconductor device includes a
이와 같은, D-모드 반도체 소자에서 버퍼층(20a)과 채널층(30a)은 β-Ga2O3을 포함하며, N형으로 도핑된다. 게이트 전극(G)과 드레인 전극(D)에 바이어스를 인가하면, 채널층(30a)에서 전자가 이동하면서 드레인 전류를 생성한다. In such a D-mode semiconductor device, the
도 2를 참조하면, 도 1의 D-모드 반도체 소자는 게이트 전압(Vg)이 0V 일 때, 전류가 흐르므로 노말리-온 (Normally-on) 동작 특성을 보인다. 드레인 전류를 off 상태가 되도록 하기 위해선 대략 -7 ~ -8V 가량의 게이트 전압(Vg)을 인가해야 한다. 이와 같은 D-모드 반도체 소자는 스위칭 소자로 사용하기 위하여 음의 전압을 생성하는 회로가 필요하고 게이트 전압이 인가되지 않았을 경우 전류가 흐를 수 있는 안정성의 문제를 가지고 있기 때문에 스위칭 소자로 적합하지 않다.Referring to FIG. 2 , the D-mode semiconductor device of FIG. 1 exhibits normally-on operation characteristics because current flows when the gate voltage Vg is 0V. In order to turn off the drain current, it is necessary to apply a gate voltage (Vg) of about -7 to -8V. Such a D-mode semiconductor device is not suitable as a switching device because it requires a circuit for generating a negative voltage in order to be used as a switching device and has a problem of stability in which current can flow when a gate voltage is not applied.
도 3을 참조하여, 종래 기술에 따른 E-모드를 갖는 반도체 소자를 설명한다. 도 3은 종래 기술에 따른 E-모드를 갖는 반도체 소자가 도시된 단면도이다.A semiconductor device having an E-mode according to the related art will be described with reference to FIG. 3 . 3 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device having an E-mode according to the related art.
도 3에 도시된 바와 같이, 종래 기술에 따른 E-모드 반도체 소자는 기판(10b)과 기판 상에 형성된 버퍼층(20b)과, 버퍼층 상에 형성된 채널층(30b)과, 채널층(30b) 상에 형성된 절연층(40b)과 소스(S) 및 드레인 전극(D)과, 절연층 상에 형성된 게이트 전극(G)을 포함한다. 채널층(30b)과 소스(S) 및 드레인 전극(D) 사이에는 오믹 컨택층(60b)이 형성된다. 절연층(40b), 소스(S), 드레인 전극(D), 게이트 전극(G) 상에는 소자를 보호하는 패시베이션층(50b)이 형성된다.3, the E-mode semiconductor device according to the related art includes a
채널층(30b)은 소정 깊이로 에칭되어 형성된 리세스(R)를 구비하며, 리세스(R)에 케이트 전극(G)이 형성된다.The
이와 같은, 종래의 E-모드 반도체 소자에서 리세스(R)가 채널층(30b)에 형성되어 게이트 전극(G) 하부의 채널층(30b)을 좁혀서 게이트 전압이 0V인 상태에서 좁은 채널층이 모두 공핍되게 하여 전류를 차단하는 노말리-오프(Normally-off) 동작 특성을 보인다.As such, in the conventional E-mode semiconductor device, a recess R is formed in the
이 상태에서, 양의 게이트 전압을 인가하면, 리세스(R)가 형성된 게이트 전극(G) 하부의 채널층(30b)을 통해 전자가 이동하면서 전류가 생성되는 E-모드 동작 특성을 보여서, 스위칭 소자로 활용할 수 있다.In this state, when a positive gate voltage is applied, electrons move through the
그러나, 이러한 종래의 E-모드 반도체 소자는 스위칭을 위한 게이트 인가 전압이 매우 작고(약 1V 가량) 채널층이 좁아서 많은 전류가 흐르지 못하는 단점이 있다.However, such a conventional E-mode semiconductor device has a disadvantage in that a gate applied voltage for switching is very small (about 1V) and a large current cannot flow because a channel layer is narrow.
본 발명은 임계 전압과 온저항 조절을 용이하게 하여 스위칭 소자로서의 동작 특성을 향상시킬 수 있는 E-모드 반도체 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide an E-mode semiconductor device capable of improving operating characteristics as a switching device by facilitating adjustment of a threshold voltage and an on-resistance.
본 발명의 실시예에 따른 E-모드 반도체 소자는,An E-mode semiconductor device according to an embodiment of the present invention,
기판; 상기 기판 상에 형성되고, 제1 농도로 도핑된 버퍼층; 상기 버퍼층 상에 형성되고, 상기 제1 농도 보다 큰 제2 농도로 도핑된 바디층; 상기 바디층 상에 형성되고, 상기 제2 농도 보다 큰 제3 농도로 도핑되며, 게이트 전극이 형성되는 리세스를 포함하는 채널층;을 포함한다.Board; a buffer layer formed on the substrate and doped with a first concentration; a body layer formed on the buffer layer and doped with a second concentration greater than the first concentration; and a channel layer formed on the body layer, doped with a third concentration greater than the second concentration, and including a recess in which a gate electrode is formed.
본 발명의 실시예에 따른 E-모드 반도체 소자에 있어서, 상기 버퍼층과 상기 바디층과 상기 채널층은 산화 갈륨계 반도체인 것이 바람직하다. In the E-mode semiconductor device according to the embodiment of the present invention, it is preferable that the buffer layer, the body layer, and the channel layer are a gallium oxide-based semiconductor.
본 발명의 실시예에 따른 E-모드 반도체 소자에 있어서, 상기 산화 갈륨계 반도체는 N형 불순물이 도핑되는 것이 바람직하다. In the E-mode semiconductor device according to the embodiment of the present invention, the gallium oxide-based semiconductor is preferably doped with an N-type impurity.
본 발명의 실시예에 따른 E-모드 반도체 소자에 있어서, 상기 산화 갈륨계 반도체는 β-Ga2O3일 수 있다. In the E-mode semiconductor device according to an embodiment of the present invention, the gallium oxide-based semiconductor may be β-Ga 2 O 3 .
본 발명의 실시예에 따른 E-모드 반도체 소자에 있어서, 상기 제3 농도는 상기 제2 농도의 10배 이상이고, 상기 제2 농도는 상기 제1 농도의 10배 이상인 것이 바람직하다. In the E-mode semiconductor device according to an embodiment of the present invention, it is preferable that the third concentration is 10 times or more of the second concentration, and the second concentration is 10 times or more of the first concentration.
본 발명의 실시예에 따른 E-모드 반도체 소자에 있어서, 상기 제2 농도는 5×1014(cm-3) ~ 5×1016(cm-3)이며, 상기 제3 농도는 1×1016(cm-3) ~ 2×1018(cm-3)일 수 있다. In the E-mode semiconductor device according to the embodiment of the present invention, the second concentration is 5×10 14 (cm -3 ) to 5×10 16 (cm -3 ), and the third concentration is 1×10 16 (cm -3 ) to 2×10 18 (cm -3 ).
본 발명의 실시예에 따른 E-모드 반도체 소자에 있어서, 상기 바디층의 두께는 50nm ~ 500nm이고, 상기 채널층의 두께는 10nm ~ 1000nm일 수 있다. In the E-mode semiconductor device according to an embodiment of the present invention, the thickness of the body layer may be 50 nm to 500 nm, and the thickness of the channel layer may be 10 nm to 1000 nm.
본 발명의 실시예에 따른 E-모드 반도체 소자에 있어서, 상기 리세스는 상기 채널층을 관통하여 형성될 수 있다. In the E-mode semiconductor device according to the embodiment of the present invention, the recess may be formed through the channel layer.
본 발명의 실시예에 따른 E-모드 반도체 소자에 있어서, 상기 리세스는 상기 채널층 및 상기 바디층의 적어도 일부를 에칭하여 형성될 수 있다. In the E-mode semiconductor device according to an embodiment of the present invention, the recess may be formed by etching at least a portion of the channel layer and the body layer.
본 발명의 실시예에 따른 E-모드 반도체 소자에 있어서, 상기 리세스는 상기 바디층의 상단으로부터 50nm 이하 범위로 형성될 수 있다. In the E-mode semiconductor device according to an embodiment of the present invention, the recess may be formed in a range of 50 nm or less from an upper end of the body layer.
본 발명의 실시예에 따른 E-모드 반도체 소자에 있어서, 상기 바디층과 상기 리세스 사이에는 5nm ~ 100nm 이하의 두께를 가진 절연층이 형성될 수 있다.In the E-mode semiconductor device according to an embodiment of the present invention, an insulating layer having a thickness of 5 nm to 100 nm or less may be formed between the body layer and the recess.
기타 본 발명의 다양한 측면에 따른 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.Other details of implementations according to various aspects of the invention are included in the detailed description below.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 임계 전압과 온저항 조절을 용이하게 하여 스위칭 소자로서의 동작 특성을 향상시킬 수 있다. According to the embodiment of the present invention, it is possible to improve the operating characteristics as a switching element by facilitating adjustment of the threshold voltage and the on-resistance.
도 1은 D-모드를 갖는 반도체 소자가 도시된 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 반도체 소자의 출력 전류-전압 특성을 보여주는 그래프이다.
도 3은 종래 기술에 따른 E-모드를 갖는 반도체 소자가 도시된 단면도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 E-모드를 갖는 반도체 소자가 도시된 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 E-모드를 갖는 반도체 소자의 동작 과정을 시뮬레이션하여 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 E-모드를 갖는 반도체 소자의 출력 전류-전압 특성을 보여주는 그래프이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 E-모드를 갖는 반도체 소자에서 음의 계면 전하에 의한 출력 전류-전압 특성의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 E-모드를 갖는 반도체 소자에서 절연층의 두께와 바디층의 도핑 농도 변화에 따른 임계 전압 변화 특성을 보여주는 그래프이다.1 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device having a D-mode.
FIG. 2 is a graph showing output current-voltage characteristics of the semiconductor device shown in FIG. 1 .
3 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device having an E-mode according to the related art.
4 and 5 are cross-sectional views illustrating a semiconductor device having an E-mode according to an embodiment of the present invention.
6 is a view showing a simulation of an operation process of a semiconductor device having an E-mode according to an embodiment of the present invention.
7 is a graph showing an output current-voltage characteristic of a semiconductor device having an E-mode according to an embodiment of the present invention.
8 and 9 are graphs illustrating changes in output current-voltage characteristics due to negative interfacial charges in a semiconductor device having an E-mode according to an embodiment of the present invention.
10 and 11 are graphs showing a threshold voltage change characteristic according to a change in the thickness of an insulating layer and a doping concentration of a body layer in a semiconductor device having an E-mode according to an embodiment of the present invention.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Since the present invention can apply various transformations and can have various embodiments, specific embodiments are illustrated and described in detail in the detailed description. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 E-모드 반도체 소자를 설명한다.The terms used in the present invention are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present invention, terms such as 'comprise' or 'have' are intended to designate that the features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification exist, and one or more other features It is to be understood that this does not preclude the possibility of the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof. Hereinafter, an E-mode semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 E-모드를 갖는 반도체 소자가 도시된 단면도이다.4 and 5 are cross-sectional views illustrating a semiconductor device having an E-mode according to an embodiment of the present invention.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 E-모드를 갖는 반도체 소자(이하, "E-모드 반도체 소자")는, 기판(110), 버퍼층(120), 바디층(170), 채널층(130), 절연층(140), 소스(S) 및 드레인 전극(D), 게이트 전극(G)을 포함한다.As shown in FIG. 4 , a semiconductor device having an E-mode (hereinafter, an “E-mode semiconductor device”) according to an embodiment of the present invention includes a
기판(110)은 사파이어 기판, AlN 기판, GaN 기판, SiC 기판 또는 Si 기판 등의 성장 기판일 수 있으며, 반도체를 성장시킬 수 있는 기판이면 특별히 한정되지 않는다.The
버퍼층(120)과 바디층(170)과 채널층(130)은 산화 갈륨계 반도체로 형성될 수 있다. 산화 갈륨계 반도체에 기판(110)으로부터의 높이에 따라 N형 불순물의 도핑 농도를 다르게 하여 버퍼층(120)과 바디층(170)과 채널층(130)을 형성할 수 있다. 버퍼층(120)의 도핑 농도가 가장 작으며, 바디층(170), 채널층(130)으로 갈수록 도핑 농도는 증가한다. 산화 갈륨계 반도체는 β-Ga2O3일 수 있다. 물론, 이에 한정되지 않고, N형으로 성장된 반도체이면 가능하다.The
버퍼층(120)은 기판(110) 상에 형성되며, 전자가 이동하기 어려운 제1 저항층으로, N형 불순물이 제1 농도로 도핑될 수 있다. 예를 들어, 제1 농도는, 5×1014(cm-3) 이하 일 수 있다. 버퍼층(120)의 두께는 예를 들어 500nm 이상일 수 있다. 버퍼층(120)의 도핑이 높을 경우 버퍼층(120)을 따라 전류가 흐를 수 있기 때문에 도핑 농도는 낮을 수록 좋으며 5×1014(cm-3) 이하로 하는 것이 적합하다. 두께의 경우 기판으로부터 양질의 에피층을 성장하기 위한 두께가 필요하며 최소 500nm 이상이 적합하다.The
바디층(170)은 버퍼층(120) 상에 형성되며, 버퍼층(120) 보다 상대적으로 전자가 이동하기 용이한 제2 저항층으로, N형 불순물이 제1 농도로 보다 큰 제2 농도로 도핑될 수 있다. 제2 농도는 제1 농도 보다 10배 이상 클 수 있다. 예를 들어, 제2 농도는 5×1014(cm-3) ~ 5×1016(cm-3) 범위일 수 있다. 바디층(170) 하부의 버퍼층(120)이 절연층 역할을 하기 때문에 바디층(170)의 농도는 절연층의 농도 이하일 필요는 없다. 바디층(170)의 도핑 농도가 5×1016(cm-3)를 초과하면, 바디층(170)을 통해 전류가 항시 도통하는 노말리-온 동작 특성을 보일 수 있다. 즉, 채널층(130)과의 도핑 농도 차이가 상대적으로 적게 되어, 바디층(170)과 채널층(130)이 모두 전자 이동이 가능한 하나의 층으로 기능하게 될 수 있으므로, 제2 농도는 5×1014(cm-3) ~ 5×1016(cm-3) 범위인 것이 바람직하다. 바디층(170)의 두께는 예를 들어 50nm ~ 500nm 일 수 있다. 바디층(170)이 너무 얇을 경우 버퍼층(120)의 도핑 농도로 인하여 에너지밴드가 평평하지 않을 수 있으며 500nm 이상의 두께도 가능하긴 하지만 에피 성장 시간이 증가되는 문제를 고려하면 불필요하게 두껍게 성장할 필요가 없다.The
채널층(130)은 바디층(170) 상에 형성되며, 바디층(170) 보다 상대적으로 전자가 이동하기 용이한 제3 저항층으로, N형 불순물이 제2 농도로 보다 큰 제3 농도로 도핑될 수 있다. 제3 농도는 제2 농도 보다 10배 이상 클 수 있다. 예를 들어, 제3 농도는 1×1016(cm-3) ~ 2×1018(cm-3) 범위일 수 있다. 채널층(130)의 도핑 농도가 1×1016(cm-3) 미만이면 채널층의 저항이 큰 문제가 있고, 1×1018(cm-3)를 초과하면 항복전압이 너무 낮아지는 문제가 있다. 채널층(130)의 두께는, 예를 들어 10nm ~ 1000nm 일 수 있다. 채널층이 10nm 이하인 경우 채널 저항이 큰 문제가 있으며 1000nm 이상인 경우 오랜 성장 시간의 단점과 게이트 영역 식각 공정의 시간 소요 및 깊이 조절이 수월하지 않을 수 있다. The
바디층(170)의 도핑 농도와 두께는 임계 전압을 결정하고, 채널층(130)의 도핑 농도와 두께, 채널층(130)의 길이는 온저항과 항복 전압의 크기를 결정한다. 즉, 채널층(130)의 두께가 증가하면, 온저항이 감소하고 항복 전압도 감소하고 드레인 전류가 증가하게 된다. 그리고, 바디층(170)의 도핑 농도가 높아질 수록 임계 전압은 감소하고, 도핑 농도가 낮을수록 임계 전압은 증가하게 된다. 따라서, 채널층(130)의 두께와 바디층(170)의 도핑 농도 및 두께를 적절히 조절하면 원하는 동작 특성(임계 전압)을 갖는 E-모드 반도체 소자를 구현할 수 있다. 상기에서, 임계 전압은 ON/OFF 스위칭을 위한 게이트 인가 전압을 의미한다.The doping concentration and thickness of the
채널층(130)은 리세스(R)를 구비한다. 리세스(R)는 채널층(130)을 관통하여 형성된다. 또는, 리세스(R)는 도 5와 같이 채널층(130)을 오버 에칭하여 바디층(170)의 적어도 일부를 에칭하여 형성될 수 있다. 이때, 바디층(170)에서의 리세스(R) 깊이가 깊어질수록 유효 채널 길이가 길어져서 드레인 전류가 낮아지게 된다. 따라서, 바디층(170)에서의 리세스(R) 깊이는 바디층(170) 상단으로부터 50nm 이하 범위로 형성되는 것이 바람직하다.The
채널층(130)의 양측에는 오믹 컨택층(160)이 형성된다. 오믹 컨택층(160)은 소스 전극(S)와 드레인 전극(D)의 오믹 접합을 향상시키기 위한 층으로, N형 불순물을 1Х1018(cm-3)의 농도 이상으로 도핑하여 형성한다.An
양측의 오믹 컨택층(160) 상에는 소스 전극(S)과 드레인 전극(D)이 각각 형성된다. 소스 전극(S) 및 드레인 전극(D)은 Ti, Au, Al, Ni, Ti/Al, Ti/Au, Ni/Au 을 포함할 수 있다.A source electrode S and a drain electrode D are respectively formed on both sides of the
절연층(140)은 채널층(130)과 리세스(R), 오믹 컨택층(160) 상에 형성된다. 절연층(140)은 Al2O3, SiO2, HfO2, SiNx 등 다양한 절연 물질을 이용하여 형성할 수 있다. 절연층(140)의 두께는 5nm ~ 100nm 이하인 것이 바람직하다. 절연층(140)의 두께가 5nm 미만이면 누설 전류가 발생하는 문제가 있고, 100nm 초과이면 게이트 전압에 의한 전류 변화율이 감소하여 소자의 동작 특성이 나빠지는 문제가 있다. The insulating
절연층(140)의 두께와 바디층(170)의 도핑 농도에 따라 임계 전압이 달라진다. 따라서, 절연층(140)의 두께와 바디층(170)의 도핑 농도를 적정 범위로 형성하면, 원하는 동작 특성(임계 전압)을 갖는 E-모드 반도체 소자를 구현할 수 있다. 이에 대해서는 도 10 내지 도 12를 참조하여 후술한다.The threshold voltage varies according to the thickness of the insulating
게이트 전극(G)은 리세스(R)를 매립하면서 절연층(140) 상에 형성된다. 게이트 전극(G)은 Au, Ag, Ni, Pt, Ti, Ni/Au, Pt/Ti/Au 을 포함할 수 있다. 절연층(140), 소스 전극(S), 드레인 전극(D), 게이트 전극(G) 상에는 소자를 보호하는 패시베이션층(150)이 형성된다.The gate electrode G is formed on the insulating
상기와 같이 구성되는 본 발명의 일 실시예에 따른 E-모드 반도체 소자의 동작 과정을 도 6 및 도 7을 참조하여 설명한다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 E-모드를 갖는 반도체 소자의 동작 과정을 시뮬레이션하여 보여주는 도면이며, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 E-모드를 갖는 반도체 소자의 출력 전류-전압 특성을 보여주는 그래프이다.An operation process of the E-mode semiconductor device according to an embodiment of the present invention configured as described above will be described with reference to FIGS. 6 and 7 . 6 is a view showing a simulation of an operation process of a semiconductor device having an E-mode according to an embodiment of the present invention, and FIG. 7 is an output current of a semiconductor device having an E-mode according to an embodiment of the present invention. It is a graph showing voltage characteristics.
도 6을 참조하면, 도 6의 (a)는 드레인 전압(V)이 바이어스된 상태에서 게이트 전압(Vgs)이 0V인 경우이고, 도 6의 (b)는 드레인 전압(V)이 바이어스된 상태에서 게이트 전압(Vgs)이 8V인 경우이다.Referring to FIG. 6 , (a) of FIG. 6 is a case in which the drain voltage V is biased and the gate voltage Vgs is 0V, and FIG. 6(b) is a state in which the drain voltage V is biased. In the case where the gate voltage (Vgs) is 8V.
도 6의 (a)와 같이, 게이트 전압(Vgs)이 0V 일때, 게이트 전극(G) 하부의 바디층(170)에는 공핍 영역(DA)이 형성되어 전자가 이동하지 못해서 드레인 전류는 0에 수렴하는 오프상태가 된다.As shown in (a) of FIG. 6 , when the gate voltage Vgs is 0V, the depletion region DA is formed in the
도 6의 (b)와 같이, 게이트 전압(Vgs)이 문턱전압 이상 일때, 공핍 영역이 제거되고 전자는 바디층(170)을 통해 이동(도 4에서 화살표로 도시되어 있음)하여 드레인 전류가 생성되는 온상태가 된다. As shown in (b) of FIG. 6 , when the gate voltage Vgs is equal to or greater than the threshold voltage, the depletion region is removed and electrons move through the body layer 170 (shown by an arrow in FIG. 4 ) to generate a drain current. becomes the hot state.
도 7은 게이트 전압(Vgs)이 0 ~ 8V이고 드레인 전압이 0 ~ 30V 일때, 출력 전류-전압 특성을 보여준다.7 shows output current-voltage characteristics when the gate voltage Vgs is 0 to 8V and the drain voltage is 0 to 30V.
도 7을 참조하면, 게이트 전압(Vgs)이 0 ~ 1V 일때, 드레인 전압이 인가되어도 드레인 전류는 0에 수렴하고, 게이트 전압(Vgs)이 2V 이상일때, 드레인 전류가 생성되므로 ON/OFF 스위칭할 수 있음을 알 수 있다.Referring to FIG. 7 , when the gate voltage (Vgs) is 0 to 1V, even when the drain voltage is applied, the drain current converges to 0, and when the gate voltage (Vgs) is 2V or more, the drain current is generated, so ON/OFF switching is performed. It can be seen that
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 E-모드 반도체 소자는 게이트 전압이 0 ~ 1V 일 때, 전류가 차단되는 오프(off) 동작 특성을 보이면서, 게이트 전압이 2V 이상일때, 전류가 생성되어 ON/OFF 스위칭 동작을 하므로, 스위칭을 위한 게이트 인가 전압(임계 전압)이 상승하여 안정된 동작 특성을 보이는 스위칭 소자로 활용될 수 있다.Accordingly, the E-mode semiconductor device according to an embodiment of the present invention exhibits an off operation characteristic in which the current is cut off when the gate voltage is 0 to 1V, and when the gate voltage is 2V or more, a current is generated and turned on Because the /OFF switching operation is performed, the gate applied voltage (threshold voltage) for switching rises, so that it can be used as a switching device exhibiting stable operation characteristics.
한편, 전술한 도 6 및 도 7은 절연층(140)과 접하는 바디층(170)의 계면에 형성되는 음의 계면 전하(Negative interface charge)에 의한 영향을 고려하지 않은 결과이다. 이에, 도 8 및 도 9를 참조하여 음의 계면 전하에 의한 동작 특성 변화를 설명한다. 도 8 및 도 9는 음의 계면 전하에 의한 출력 전류-전압 특성의 변화를 보여주는 그래프이다. 도 9의 (a)는 음의 계면 전하가 없는 E-모드 반도체 소자를 시뮬레이션한 것이며, 도 9의 (b) ~ (d)는 음의 계면 전하를 점진적으로 증가시킨 E-모드 반도체 소자를 시뮬레이션한 것이다.Meanwhile, the above-described FIGS. 6 and 7 are results that do not take into account the effect of negative interface charges formed at the interface of the
절연층(140)과 접하는 바디층(170)의 계면에는 음의 계면 전하(Negative interface charge)가 형성된다. 예를 들어, 절연층(140)이 Al2O3이고, 바디층(170)이 β-Ga2O3인 경우, 1x1012 ~ 2x1013 (cm-2) 범위를 갖는 음의 계면 전하가 형성된다.A negative interface charge is formed at the interface of the
도 8 및 도 9를 참조하면, 음의 계면 전하 증가에 따라 스위칭을 위한 게이트 인가 전압(임계 전압)은 증가하며, 드레인 전류는 감소하는 것을 알 수 있다. 음의 계면전하를 갖기 때문에 높은 임계 전압을 갖게 되며, 이는 고전압 스위칭 소자가 사용되는 환경에 따라 게이트에 인가되는 신호의 변화가 있는 환경에서 확실하게 오프 상태를 유지할 수 있게 된다. Referring to FIGS. 8 and 9 , it can be seen that the gate applied voltage (threshold voltage) for switching increases and the drain current decreases as the negative interfacial charge increases. Since it has a negative interfacial charge, it has a high threshold voltage, which makes it possible to reliably maintain an off state in an environment in which a signal applied to the gate changes according to an environment in which the high voltage switching device is used.
다음, 도 10 및 도 11을 참조하여 절연층(140)의 두께와 바디층(170)의 도핑 농도 변화에 따른 임계 전압 변화 특성을 설명한다. Next, a threshold voltage change characteristic according to a change in the thickness of the insulating
도 10 및 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 E-모드를 갖는 반도체 소자에서 절연층의 두께와 바디층의 도핑 농도 변화에 따른 임계 전압 변화 특성을 보여주는 그래프이다. 도 10은 절연층(140)의 두께가 20nm인 경우이고, 도 11은 절연층(140)의 두께가 50nm인 경우이다. 도 10 및 도 11에서 절연층(140)과 바디층(170)의 계면에는 1x1012(cm-2)의 음의 계면 전하가 존재하는 것으로 시뮬레이션하였다.10 and 11 are graphs illustrating a threshold voltage change characteristic according to a change in the thickness of an insulating layer and a doping concentration of a body layer in a semiconductor device having an E-mode according to an embodiment of the present invention. 10 shows a case where the thickness of the insulating
도 10 및 도 11에서, 바디층(170)의 도핑 농도는 1x1013(cm-3) ~ 1x1017(cm-3)의 범위 내로 변화시켰으며, 드레인 전압은 5V로 고정하고, 케이트 전압은 0 ~ 8V로 변화시켜서 드레인 전류값을 시뮬레이션하였다. 채널층(130)의 도핑 농도는 3x1017(cm-3)이다.10 and 11 , the doping concentration of the
도 10 및 도 11에서 (a)는 게이트 전압 대비 드레인 전류값을 보여주는 그래프이며, (b)는 (a)를 로그 스케일로 변환한 그래프이다.10 and 11, (a) is a graph showing a gate voltage versus a drain current value, and (b) is a graph obtained by converting (a) to a logarithmic scale.
도 10의 (b)를 참조하면, 1x1016(cm-3 , 보라색선)와 1x1017(cm-3,녹색선)은 게이트 전압이 1V인 경우, 상대적으로 큰 드레인 전류값(0.01 ~ 10-3 (A/mm))을 보이므로 전류가 항시 도통하는 노말리-온 상태임을 알 수 있다. Referring to Figure 10 (b), 1x10 16 (cm -3 , Purple line) and 1x10 17 (cm -3 , green line) show a relatively large drain current value (0.01 ~ 10 -3 (A/mm)) when the gate voltage is 1V, so the current always conducts normally. - You can see that it is on.
한편, 1x1013(cm-3,흑색선), 1x1014(cm-3,적색선), 1x1015(cm-3,청색선)은 게이트 전압이 1V인 경우, 10-5 (A/mm) 이하의 극미량의 드레인 전류값을 보이므로 노말리-오프 상태임을 알 수 있다.On the other hand, 1x10 13 (cm -3 , black line), 1x10 14 (cm -3 , red line), and 1x10 15 (cm -3 , blue line) are less than 10 -5 (A/mm) when the gate voltage is 1V. It can be seen that it is in a normally-off state because it shows a very small amount of drain current.
도 11의 (b)를 참조하면, 1x1016(cm-3,보라색선)와 1x1017(cm-3,녹색선)은 게이트 전압이 1V인 경우, 상대적으로 큰 드레인 전류값(0.01 ~ 10-4 (A/mm))을 보이므로 전류가 항시 도통하는 노말리-온 상태임을 알 수 있다. Referring to (b) of FIG. 11 , 1x10 16 (cm -3 , purple line) and 1x10 17 (cm -3 , green line) have relatively large drain current values (0.01 to 10 - 4 (A/mm)), so it can be seen that the current is always in a normally-on state.
한편, 1x1013(cm-3,흑색선), 1x1014(cm-3,적색선), 1x1015(cm-3,청색선)은 게이트 전압이 1V인 경우, 10-5 (A/mm) 이하의 극미량의 드레인 전류값을 보이므로 노말리-오프 상태임을 알 수 있다.On the other hand, 1x10 13 (cm -3 , black line), 1x10 14 (cm -3 , red line), and 1x10 15 (cm -3 , blue line) are less than 10 -5 (A/mm) when the gate voltage is 1V. It can be seen that it is in a normally-off state because it shows a very small amount of drain current.
따라서, 채널층(130)의 도핑 농도 대비 바디층(170)의 도핑 농도가 1/100 ~ 1/10일 때, 안정한 스위칭 소자로서의 동작 특성을 보임을 알 수 있다.Accordingly, it can be seen that when the doping concentration of the
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.Above, an embodiment of the present invention has been described, but those of ordinary skill in the art can add, change, delete or add components within the scope that does not depart from the spirit of the present invention described in the claims. The present invention may be variously modified and changed by such as, and it will be said that it is also included within the scope of the present invention.
110 : 기판 120 : 버퍼층
130 : 채널층 140 : 절연층
150 : 패시베이션층 160 : 오믹 컨택층
170 : 바디층 R : 리세스
S : 소스 전극 D : 드레인 전극
G : 게이트 전극 110: substrate 120: buffer layer
130: channel layer 140: insulating layer
150: passivation layer 160: ohmic contact layer
170: body layer R: recess
S: source electrode D: drain electrode
G: gate electrode
Claims (11)
상기 기판 상에 형성되고, 제1 농도로 도핑된 버퍼층;
상기 버퍼층 상에 형성되고, 상기 제1 농도 보다 큰 제2 농도로 도핑되어 상기 버퍼층 보다 전자 이동이 용이한 바디층;
상기 바디층 상에 형성되고, 게이트 전극이 형성되는 리세스를 포함하며, 상기 제2 농도 보다 큰 제3 농도로 도핑되어 상기 바디층 보다 전자 이동이 용이한 채널층;
을 포함하는 E-모드 반도체 소자.
Board;
a buffer layer formed on the substrate and doped with a first concentration;
a body layer formed on the buffer layer and doped with a second concentration greater than the first concentration to facilitate electron movement than the buffer layer;
a channel layer formed on the body layer, including a recess in which a gate electrode is formed, and doped with a third concentration greater than the second concentration to facilitate electron movement than the body layer;
An E-mode semiconductor device comprising a.
상기 버퍼층과 상기 바디층과 상기 채널층은 산화 갈륨계 반도체인, E-모드 반도체 소자.
The method according to claim 1,
The buffer layer, the body layer, and the channel layer are gallium oxide-based semiconductors, E-mode semiconductor device.
상기 산화 갈륨계 반도체는 N형 불순물이 도핑된, E-모드 반도체 소자.
3. The method according to claim 2,
The gallium oxide-based semiconductor is doped with an N-type impurity, an E-mode semiconductor device.
상기 산화 갈륨계 반도체는 β-Ga2O3인, E-모드 반도체 소자.
3. The method according to claim 2,
The gallium oxide-based semiconductor is β-Ga 2 O 3 , E-mode semiconductor device.
상기 제3 농도는 상기 제2 농도의 10배 이상이고, 상기 제2 농도는 상기 제1 농도의 10배 이상인, E-모드 반도체 소자.
The method according to claim 1,
The third concentration is 10 times or more of the second concentration, and the second concentration is 10 times or more of the first concentration.
상기 제2 농도는 5×1014(cm-3) ~ 5×1016(cm-3)이며, 상기 제3 농도는 1×1016(cm-3) ~ 2×1018(cm-3)인, E-모드 반도체 소자.
The method according to claim 1,
The second concentration is 5×10 14 (cm -3 ) to 5×10 16 (cm -3 ), and the third concentration is 1×10 16 (cm -3 ) to 2×10 18 (cm -3 ) Phosphorus, E-mode semiconductor device.
상기 바디층의 두께는 50nm ~ 500nm이고, 상기 채널층의 두께는 10nm ~ 1000nm인, E-모드 반도체 소자.
The method according to claim 1,
The thickness of the body layer is 50nm ~ 500nm, the thickness of the channel layer is 10nm ~ 1000nm, E-mode semiconductor device.
상기 리세스는 상기 채널층을 관통하여 형성되는, E-모드 반도체 소자.
The method according to claim 1,
The recess is formed through the channel layer, E-mode semiconductor device.
상기 리세스는 상기 채널층 및 상기 바디층의 적어도 일부를 에칭하여 형성되는, E-모드 반도체 소자.
The method according to claim 1,
and the recess is formed by etching at least a portion of the channel layer and the body layer.
상기 리세스는 상기 바디층의 상단으로부터 50nm 이하 범위로 형성되는, E-모드 반도체 소자.
10. The method of claim 9,
The recess is formed in a range of 50 nm or less from the top of the body layer, E-mode semiconductor device.
상기 바디층과 상기 리세스 사이에는 5nm ~ 100nm 이하의 두께를 가진 절연층이 형성되는, E-모드 반도체 소자.The method according to claim 1,
An insulating layer having a thickness of 5 nm to 100 nm or less is formed between the body layer and the recess, an E-mode semiconductor device.
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