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JP5233174B2 - Semiconductor device - Google Patents

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JP5233174B2
JP5233174B2 JP2007152977A JP2007152977A JP5233174B2 JP 5233174 B2 JP5233174 B2 JP 5233174B2 JP 2007152977 A JP2007152977 A JP 2007152977A JP 2007152977 A JP2007152977 A JP 2007152977A JP 5233174 B2 JP5233174 B2 JP 5233174B2
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Description

本発明は、2次元電子ガス層(2DEG層)をキャリアの伝導路としつつノーマリオフ特性を有する半導体装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor device having normally-off characteristics while using a two-dimensional electron gas layer (2DEG layer) as a carrier conduction path.

キャリアの伝導路となる2次元電子ガス層を生じさせるためのヘテロ接合を有する従来の半導体装置においては、いくつかの問題点があった。   The conventional semiconductor device having a heterojunction for generating a two-dimensional electron gas layer serving as a carrier conduction path has several problems.

図6(a)に、ヘテロ接合を有する半導体装置として、HEMT(High Electron Mobility Transistor)として機能する、従来の一般的な構成の半導体装置611を示す。   FIG. 6A shows a conventional semiconductor device 611 having a general configuration that functions as a HEMT (High Electron Mobility Transistor) as a semiconductor device having a heterojunction.

半導体装置611は、図示するように、第1半導体層131と、第2半導体層133と、ソース電極151と、ゲート電極153と、ドレイン電極155と、ゲート絶縁膜157と、を備える。   As illustrated, the semiconductor device 611 includes a first semiconductor layer 131, a second semiconductor layer 133, a source electrode 151, a gate electrode 153, a drain electrode 155, and a gate insulating film 157.

第1半導体層131は例えばGaNから構成されている。第2半導体層133は、第1半導体層131よりも大きいバンドギャップを有しかつ第1半導体層131より小さい格子定数を有する、例えばAlGaNから構成されている。よって、両層はヘテロ界面135をなす。それととともに、該界面の第1半導体層131側には、第1半導体層131と第2半導体層133との自発分極とピエゾ分極とに基づき、2次元電子ガス層(2DEG層)137が生じる。第2半導体層133は電子供給層として、第1半導体層131は電子走行層として、それぞれ機能する。   The first semiconductor layer 131 is made of, for example, GaN. The second semiconductor layer 133 is made of, for example, AlGaN having a larger band gap than the first semiconductor layer 131 and a lattice constant smaller than that of the first semiconductor layer 131. Thus, both layers form a heterointerface 135. At the same time, a two-dimensional electron gas layer (2DEG layer) 137 is generated on the first semiconductor layer 131 side of the interface based on spontaneous polarization and piezoelectric polarization of the first semiconductor layer 131 and the second semiconductor layer 133. The second semiconductor layer 133 functions as an electron supply layer, and the first semiconductor layer 131 functions as an electron transit layer.

ソース電極151と、ゲート電極153と、ドレイン電極155と、は、第2半導体層133の上面に形成される。ただし、ソース電極151とドレイン電極155は、いずれも、第2半導体層133とオーミック接合(低抵抗接合)しているのに対し、ゲート電極153は、第2半導体層133との間に、ゲート絶縁膜157を備えている。   The source electrode 151, the gate electrode 153, and the drain electrode 155 are formed on the upper surface of the second semiconductor layer 133. However, the source electrode 151 and the drain electrode 155 are both in ohmic junction (low resistance junction) with the second semiconductor layer 133, whereas the gate electrode 153 has a gate between the second semiconductor layer 133 and the gate electrode 153. An insulating film 157 is provided.

半導体装置611をHEMTとして動作させる場合、典型的には、ソース電極151を接地し、ドレイン電極155に正の電圧を与える。   When the semiconductor device 611 is operated as a HEMT, typically, the source electrode 151 is grounded and a positive voltage is applied to the drain electrode 155.

この状態でゲート電極153に電圧を与えないときに、ドレイン電極155とソース電極151との間に流れる電流IDSが0となることが、切望されている。 In this state, when no voltage is applied to the gate electrode 153, it is desired that the current IDS flowing between the drain electrode 155 and the source electrode 151 becomes zero.

そして、ゲート電極153に正の電圧VGSを与えるときに、IDSが増加し、VGSを変化させればIDSを変化させることができることが、さらに切望されている。このようにできれば、半導体装置611は、電圧制御型トランジスタとして理想的に動作するからである。 Further, when applying a positive voltage V GS to the gate electrode 153, I DS increases, and it is further desired that I DS can be changed by changing V GS . This is because the semiconductor device 611 ideally operates as a voltage control transistor if it can be done in this way.

しかし実際には、ゲート電極153に電圧を印加しないと、ソース電極151とドレイン電極155との間に電流IDSが流れてしまう。これは、いわゆるノーマリオン特性として知られている現象である。すなわち、半導体装置611の動作は、図7の実線721で示されるように、VGS=0であってもIDSは0にならず、所定の正の値IDS、ONになってしまう。IDS=0とするためには、ゲート電極153に所定の負の電圧VGS、OFFを与える必要がある。 However, actually, if a voltage is not applied to the gate electrode 153, the current IDS flows between the source electrode 151 and the drain electrode 155. This is a phenomenon known as a so-called normally-on characteristic. That is, the operation of the semiconductor device 611, as indicated by the solid line 721 in FIG. 7, even V GS = 0 I DS does not become 0, a predetermined positive value I DS, becomes to ON. In order to set I DS = 0, it is necessary to apply a predetermined negative voltage V GS, OFF to the gate electrode 153.

そこで、トランジスタとして理想の動作をさせるために、まず考えられることが、あらかじめゲート電極153に上述の所定の負の電圧VGS、OFFを与えることにより空乏層を発生させてソース電極151とドレイン電極155との間の電流通路を遮断し、該電圧を基準にしてゲート電圧VGSによるドレイン・ソース間電流IDSの制御を行うことである。 Therefore, in order to perform an ideal operation as a transistor, firstly , a depletion layer is generated by applying the above-described predetermined negative voltage V GS, OFF to the gate electrode 153 in advance, so that the source electrode 151 and the drain electrode The current path to 155 is cut off, and the drain-source current I DS is controlled by the gate voltage V GS with reference to the voltage.

しかしながら、HEMTをオフにするためにゲート電極153に負電位を与え続けることは、半導体装置の周りの電気回路が全体として複雑なものとなり、ノイズ源の出現やコストアップをもたらしてしまうという欠点がある。   However, continuing to apply a negative potential to the gate electrode 153 in order to turn off the HEMT has a drawback that the electrical circuit around the semiconductor device becomes complicated as a whole, resulting in the appearance of noise sources and an increase in cost. is there.

ノーマリオフを実現するための別の手法として、電子供給層を薄くすることが挙げられる(例えば、特許文献1参照。)。具体的には、図6(b)に示す半導体装置613のように、電子供給層である第2半導体層133の上面のゲート形成部付近をリセス(凹部)にして、ゲート電極153の下部の電子供給層を薄くする、いわゆるリセスゲートが知られている。   Another technique for realizing normally-off is to thin the electron supply layer (see, for example, Patent Document 1). Specifically, as in the semiconductor device 613 illustrated in FIG. 6B, the vicinity of the gate formation portion on the upper surface of the second semiconductor layer 133 that is the electron supply layer is formed as a recess (concave portion), and the lower portion of the gate electrode 153 is formed. A so-called recess gate that makes an electron supply layer thin is known.

なお、半導体装置613は、リセス691が設けられている他は、前述の図6(a)に示した半導体装置611と、同じ構成をしている。   The semiconductor device 613 has the same configuration as the semiconductor device 611 shown in FIG. 6A described above except that the recess 691 is provided.

半導体装置613の電気特性は、図7の一点鎖線723のようになる。半導体装置613においては、ゲート電極153の直下にリセス691が設けられ、電子供給層である第2半導体層133が部分的に薄くされている。これにより、電子供給層と電子走行層との間のヘテロ結合に基づくピエゾ分極と自発分極とによる電界が弱くなり、2次元電子ガス層の濃度が減少する。そして、ゲート電極153の直下のピンチオフ電圧が上昇する。そのため、ゲート電極153に電圧を加えなくてもゲート電極153の直下の2次元電子ガス層が消失し空乏化する。このため、VGS=0のときIDS=0となる、ノーマリオフ特性が得られる。 The electrical characteristics of the semiconductor device 613 are as indicated by a one-dot chain line 723 in FIG. In the semiconductor device 613, a recess 691 is provided immediately below the gate electrode 153, and the second semiconductor layer 133 that is an electron supply layer is partially thinned. This weakens the electric field due to piezo polarization and spontaneous polarization based on the heterojunction between the electron supply layer and the electron transit layer, and reduces the concentration of the two-dimensional electron gas layer. Then, the pinch-off voltage immediately below the gate electrode 153 increases. Therefore, even if no voltage is applied to the gate electrode 153, the two-dimensional electron gas layer immediately below the gate electrode 153 disappears and is depleted. Therefore, a normally-off characteristic is obtained in which I DS = 0 when V GS = 0.

しかしながら、半導体装置613においては、電子供給層を薄くしたために、電子供給層である第2半導体層133と電子走行層である第1半導体層131とによるピエゾ分極と自発分極とで生じる電界が弱くなり、2DEG層137の濃度又は厚さが低下する。よって、キャリアである電子にとっては、チャネルが狭くなる。このことは、HEMTとしての性能に悪影響を及ぼす。例えば、チャネルが狭くなったことにより、ドレイン・ソース間に流すことのできる電流IDSの最大値すなわち飽和電流値が低下する。 However, in the semiconductor device 613, since the electron supply layer is thinned, an electric field generated by piezoelectric polarization and spontaneous polarization caused by the second semiconductor layer 133 that is an electron supply layer and the first semiconductor layer 131 that is an electron transit layer is weak. Thus, the concentration or thickness of the 2DEG layer 137 decreases. Therefore, the channel becomes narrow for electrons as carriers. This adversely affects the performance as a HEMT. For example, by channel becomes narrower, the maximum value, i.e. the saturation current value of the current I DS which can flow between the drain and the source decreases.

一般に、ヘテロ界面の2DEG層をキャリアの伝導路とするHEMTにおいては、ドレインとソースの間に流すことのできる電流IDSの最大値は、伝導路の広さで決定されてしまう。つまり、図7の実線721で示すように、ある値以上のゲート電圧VGSを印加しても、電流IDSはある値IDS、S以上は増加しない。 Generally, in the HEMT of the conduction path of the carrier of the 2DEG layer of the hetero interface, the maximum value of the current I DS which can flow between the drain and the source is limited by the amount in the width of the conduction path. That is, as indicated by a solid line 721 in FIG. 7, even when a gate voltage V GS greater than a certain value is applied, the current I DS does not increase beyond a certain value I DS, S.

リセスゲートにしてチャネルを狭くした半導体装置613においては、一般的な半導体装置611の飽和電流値IDS、Sに比べ、図7にIDS、S1として示すとおり、飽和電流値が低下してしまう。これは、HEMTとしての性能が低いことを意味する。 In the semiconductor device 613 having a channel narrowed as a recess gate, the saturation current value is lowered as indicated by I DS and S1 in FIG. 7 as compared with the saturation current values I DS and S of the general semiconductor device 611. This means that the performance as a HEMT is low.

結局、一般的な半導体装置611には、ノーマリオン特性を有するという欠点があり、一方、半導体装置613は、リセスゲートを設けたことによりノーマリオフ特性の獲得には成功したものの、飽和電流値の低下という代償を払ったといえる。   After all, the general semiconductor device 611 has a defect of having a normally-on characteristic. On the other hand, the semiconductor device 613 has successfully obtained a normally-off characteristic by providing a recess gate, but has a decrease in saturation current value. It can be said that the price was paid.

また、HEMTとしては、小さなゲート印加電圧VGSによって大きなドレイン・ソース間電流IDSが流れるのが望ましい。つまり、ドレイン・ソース間抵抗は小さい方がよい。ところが、リセスゲートを採用してチャネルを狭くした半導体装置613では、ゲート電極153の直下の2次元電子ガス層が消失しているため、ドレイン・ソース間抵抗(チャネル層抵抗)は増加してしまう。
特開2005−183733号公報
In addition, as the HEMT, it is desirable that a large drain-source current I DS flows with a small gate application voltage V GS . In other words, the drain-source resistance should be small. However, in the semiconductor device 613 in which the channel is narrowed by employing the recess gate, the drain-source resistance (channel layer resistance) increases because the two-dimensional electron gas layer immediately below the gate electrode 153 disappears.
JP 2005-183733 A

図7の点線725で示される電気特性を有するような、ノーマリオフ特性の容易な獲得と飽和電流値の低下防止とを両立させたHEMTの開発が待たれている。   The development of a HEMT that has both the easy acquisition of normally-off characteristics and the prevention of lowering of the saturation current value, which has the electrical characteristics indicated by the dotted line 725 in FIG. 7, is awaited.

さらには、ゲート電圧増加に対するドレイン・ソース間電流増加の割合が大きいことが好ましい。つまり、図7において、点線725の傾き735が、実線721の傾き731よりも大きいことが望ましい。   Furthermore, it is preferable that the ratio of the drain-source current increase to the gate voltage increase is large. That is, in FIG. 7, it is desirable that the slope 735 of the dotted line 725 is larger than the slope 731 of the solid line 721.

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであって、簡易な仕組みでノーマリオフ特性が実現され、飽和電流値低下が生じず、ゲート電圧に対するドレイン・ソース間電流特性が良好なHEMTを実現することができる半導体装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and realizes a HEMT having a normally-off characteristic with a simple mechanism, no reduction in saturation current value, and good drain-source current characteristics with respect to gate voltage. An object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of performing

上記目的を達成するため、本発明に係る半導体装置は、
第1半導体層と、前記第1半導体層の上に前記第1半導体層とヘテロ界面をなし該ヘテロ界面の該第1半導体層側に2次元電子ガス層を生じさせるように形成された第2半導体層と、から構成され厚み方向に段差をなして側方が露出している半導体基体と、
前記第2半導体層の上面のうち前記段差により高い位置の部分に形成され前記半導体基体とショットキー接合する第1電極と、
前記第1電極の側面の露出部から前記第1電極の側面の露出部と前記半導体基体の側方の露出部との界面を経て前記半導体基体の側方の露出部を連続的に覆う絶縁膜と、
前記絶縁膜を介し前記第1電極の側面の露出部と前記半導体基体の側方の露出部との界面をまたぐように形成された第2電極と、
前記第1電極及び前記第2電極と離間した位置に形成されかつ前記半導体基体の上面に低抵抗接触する第3電極と、
を備える。
To achieve the above object, a semiconductor device according to the present onset Ming,
A second semiconductor layer formed on the first semiconductor layer so as to form a two-dimensional electron gas layer on the first semiconductor layer side of the heterointerface by forming a heterointerface with the first semiconductor layer; A semiconductor substrate, and a semiconductor substrate that is formed with a step in the thickness direction and exposed laterally;
A first electrode formed in a portion of the upper surface of the second semiconductor layer at a higher position due to the step, and a Schottky junction with the semiconductor substrate;
An insulating film that continuously covers the exposed portion on the side of the semiconductor substrate from the exposed portion on the side surface of the first electrode through the interface between the exposed portion on the side surface of the first electrode and the exposed portion on the side of the semiconductor substrate. When,
A second electrode formed across the interface between the exposed portion on the side surface of the first electrode and the exposed portion on the side of the semiconductor substrate via the insulating film;
A third electrode formed at a position spaced apart from the first electrode and the second electrode and in low resistance contact with the upper surface of the semiconductor substrate;
Is provided.

前記第2半導体層の上面のうち、前記段差により低い位置の部分の上にも、前記第2電極が形成されていてもよい。   The second electrode may also be formed on a portion of the upper surface of the second semiconductor layer that is lower than the step.

前記第1電極の側面の露出部と前記半導体基体の側方の露出部との界面において、前記第1電極の側面の露出部から前記半導体基体の側方の前記第2半導体層の露出部にかけて平坦である、ことが望ましい。 At the interface between the exposed portion on the side surface of the first electrode and the exposed portion on the side of the semiconductor substrate, from the exposed portion on the side surface of the first electrode to the exposed portion of the second semiconductor layer on the side of the semiconductor substrate. It is desirable to be flat.

前記第1半導体層と前記第2半導体層とは、例えば、互いに異なる窒化物系化合物半導体から構成される。   The first semiconductor layer and the second semiconductor layer are made of, for example, different nitride compound semiconductors.

本発明によれば、半導体装置は、ノーマリオフ特性を有し、飽和電流値低下が生じず、ゲート電圧に対するドレイン・ソース間電流特性が良好なHEMTとなる。   According to the present invention, the semiconductor device has a normally-off characteristic, does not cause a decrease in the saturation current value, and becomes a HEMT having a good drain-source current characteristic with respect to the gate voltage.

(実施形態1)
本実施形態に係る半導体装置は、HEMTである。図1(a)は、該半導体装置111の断面の模式図である。
(Embodiment 1)
The semiconductor device according to this embodiment is a HEMT. FIG. 1A is a schematic diagram of a cross section of the semiconductor device 111.

半導体装置111は、図1に示すように、第1半導体層131と、第2半導体層133と、ソース電極151と、ゲート電極153と、ドレイン電極155と、ゲート絶縁膜157と、を備える。   As shown in FIG. 1, the semiconductor device 111 includes a first semiconductor layer 131, a second semiconductor layer 133, a source electrode 151, a gate electrode 153, a drain electrode 155, and a gate insulating film 157.

第1半導体層131は、例えば1〜3μmの厚さの窒化物系化合物半導体GaNから構成されて、電子走行層として機能する。第2半導体層133は、第1半導体層131よりも薄い、例えば5〜50nm(さらに好ましくは5〜30nm)の厚さの窒化物系化合物半導体AlGaNから構成されて、電子供給層として機能する。   The first semiconductor layer 131 is made of, for example, a nitride compound semiconductor GaN having a thickness of 1 to 3 μm and functions as an electron transit layer. The second semiconductor layer 133 is made of a nitride compound semiconductor AlGaN having a thickness smaller than that of the first semiconductor layer 131, for example, 5 to 50 nm (more preferably 5 to 30 nm), and functions as an electron supply layer.

第1半導体層131と第2半導体層133とは、異種の窒化物系化合物半導体であって、第2半導体層133のバンドギャップエネルギーが第1半導体層131のそれよりも大きくなるように構成されている。このため、両層はヘテロ界面135をなすとともに、第1半導体層131と第2半導体層133とのピエゾ分極又は第2半導体層133の自発分極による電界によって、該界面の近傍の第1半導体層131側には2DEG層137が生じる。   The first semiconductor layer 131 and the second semiconductor layer 133 are different types of nitride compound semiconductors, and are configured such that the band gap energy of the second semiconductor layer 133 is larger than that of the first semiconductor layer 131. ing. Therefore, both layers form a heterointerface 135, and the first semiconductor layer in the vicinity of the interface is formed by piezoelectric polarization between the first semiconductor layer 131 and the second semiconductor layer 133 or by the spontaneous polarization of the second semiconductor layer 133. A 2DEG layer 137 is formed on the 131 side.

ソース電極151は、第2半導体層133の上面に形成されていてもよいが、ヘテロ界面135に達するまで、さらに望ましくは図1(a)に示すように2DEG層137に達するまで彫り込まれた凹部に埋め込まれるように配置されることが好ましい。そのように配置されると、ソース電極151は、2DEG層137と、図中171の丸印で示されるように、接触するので、オン抵抗を低減できる。   The source electrode 151 may be formed on the upper surface of the second semiconductor layer 133. However, the source electrode 151 is a recess engraved until reaching the heterointerface 135, more preferably reaching the 2DEG layer 137 as shown in FIG. It is preferable to be arranged so as to be embedded in. When arranged in such a manner, the source electrode 151 contacts the 2DEG layer 137 as indicated by a circle 171 in the figure, so that the on-resistance can be reduced.

ソース電極151はNi/Auから構成される。Ni/Auは仕事関数が大きいので、ソース電極151は第1半導体層131とショットキー接合をなし、また、ソース電極151は第2半導体層133ともショットキー接合をなす。さらに、ソース電極151は、2DEG層137ともショットキー接合をなす。   The source electrode 151 is made of Ni / Au. Since Ni / Au has a large work function, the source electrode 151 forms a Schottky junction with the first semiconductor layer 131, and the source electrode 151 forms a Schottky junction with the second semiconductor layer 133. Further, the source electrode 151 also forms a Schottky junction with the 2DEG layer 137.

ゲート電極153は、Alから構成されて、第2半導体層133の上面に、ゲート絶縁膜157を挟んで、主に第2半導体層133の上面に形成される。ただしその際、ゲート電極153及びゲート絶縁膜157は、その直下に、ソース電極151と2DEG層137(第1半導体層131)との接触部171が位置するように、形成される。   The gate electrode 153 is made of Al, and is mainly formed on the upper surface of the second semiconductor layer 133 with the gate insulating film 157 interposed between the upper surface of the second semiconductor layer 133. However, at that time, the gate electrode 153 and the gate insulating film 157 are formed so that the contact portion 171 between the source electrode 151 and the 2DEG layer 137 (first semiconductor layer 131) is located immediately below the gate electrode 153 and the gate insulating film 157.

すなわち図1(a)に示すとおり、ゲート電極153及びゲート絶縁膜157は、概ね第2半導体層133の上面に形成されるが、それらの一部は第2半導体層133とソース電極151との界面を超えて(通って)ソース電極151の上面にまで延伸される。ここで、かかる延伸における下部の末端を表す図中の点線161よりもゲート電極153側に、接触部171が位置していることが望ましい。   That is, as shown in FIG. 1A, the gate electrode 153 and the gate insulating film 157 are generally formed on the upper surface of the second semiconductor layer 133, but a part of them is formed between the second semiconductor layer 133 and the source electrode 151. It extends to the upper surface of the source electrode 151 beyond (through) the interface. Here, it is desirable that the contact portion 171 is located closer to the gate electrode 153 than the dotted line 161 in the drawing representing the lower end of the stretching.

ドレイン電極155はソース電極151及びゲート電極153から離間し、Ti/Alから構成される。Ti/Alは仕事関数が小さいので、アニール処理が施されることにより、ドレイン電極155と第2半導体層133とが、オーミック接合(低抵抗接触)をなすようになっている。ゲート電極153は、半導体装置111を上面から見下ろした場合に、ドレイン電極155とソース電極151との間に位置するようになっている。   The drain electrode 155 is separated from the source electrode 151 and the gate electrode 153 and is made of Ti / Al. Since Ti / Al has a small work function, the drain electrode 155 and the second semiconductor layer 133 are in ohmic contact (low resistance contact) by performing an annealing process. The gate electrode 153 is positioned between the drain electrode 155 and the source electrode 151 when the semiconductor device 111 is viewed from above.

以下に、この半導体装置111がHEMTとして動作する様子を説明する。   Hereinafter, how the semiconductor device 111 operates as a HEMT will be described.

2DEG層137を有する半導体装置111をHEMTとして動作させる通常の手順に従い、ソース電極151を接地し、ドレイン電極155に正の電圧を与える。   In accordance with a normal procedure for operating the semiconductor device 111 having the 2DEG layer 137 as a HEMT, the source electrode 151 is grounded and a positive voltage is applied to the drain electrode 155.

従来のHEMTにおいては、ソース電極もドレイン電極と同様に半導体層とオーミック接合し2DEG層が遮断されずドレイン電極・ソース電極間の電流通路が導通状態であるので、この時点で既に、半導体内でドレイン電極からソース電極に向かって電流が流れる(ノーマリオン特性)。   In the conventional HEMT, the source electrode is also in ohmic contact with the semiconductor layer like the drain electrode, the 2DEG layer is not cut off, and the current path between the drain electrode and the source electrode is in a conductive state. A current flows from the drain electrode to the source electrode (normally on characteristics).

ノーマリオン特性はトランジスタとしては好ましくない性質である。これを克服するために、従来は、大別して2つの対策が採られてきた。   The normally-on characteristic is an undesirable property for a transistor. In order to overcome this problem, conventionally, two major measures have been taken.

1つは、ゲート電極にあらかじめ負電位を与えることである。しかし、HEMTをオフにするためにゲート電極に負電位を与え続けることは、半導体装置の周りの電気回路が全体として複雑なものとなってしまうという欠点がある。   One is to apply a negative potential to the gate electrode in advance. However, continuing to apply a negative potential to the gate electrode in order to turn off the HEMT has a drawback that the electrical circuit around the semiconductor device becomes complicated as a whole.

もう1つは、ゲート電極の直下の電子供給層にリセス(凹部)を設けて、ゲート電極の直下の電子供給層を薄くすることにより、その部分のピンチオフ電圧を上昇させ空乏化させることである。しかし、電子供給層を薄くすると、ヘテロ界面におけるピエゾ分極で生じる電界が弱くなり、2次元電子ガス層の濃度が減少する。これは、いわば、キャリアである電子にとっては伝導チャネルが狭くなることを意味する。すなわち、HEMTとしては、チャネル層抵抗が増加して飽和電流値が低下した、性能の低いものとなってしまう。   The other is to provide a recess (recess) in the electron supply layer directly under the gate electrode and thin the electron supply layer directly under the gate electrode, thereby increasing the pinch-off voltage of the portion and depleting it. . However, when the electron supply layer is thinned, the electric field generated by piezo polarization at the heterointerface is weakened, and the concentration of the two-dimensional electron gas layer is reduced. This means that the conduction channel becomes narrower for electrons as carriers. That is, the HEMT has a low performance in which the channel layer resistance increases and the saturation current value decreases.

本実施形態に係る半導体装置111においては、ソース電極151を接地し、ドレイン抵抗155に正の電圧を与えても、ソース電極151が第2半導体層133と2DEG層137の両方とショットキー接合をなしており、かつ、かかる電圧は該ショットキー接合に対する逆方向電圧となるので、ソース電極151とそれに接触する2DEG層137(又は第2半導体層133)との界面には空乏層が生じており、ソース電極151と2DEG層137とは電気的に遮断され、電流は流れない。   In the semiconductor device 111 according to this embodiment, even if the source electrode 151 is grounded and a positive voltage is applied to the drain resistor 155, the source electrode 151 forms a Schottky junction with both the second semiconductor layer 133 and the 2DEG layer 137. In addition, since this voltage is a reverse voltage with respect to the Schottky junction, a depletion layer is generated at the interface between the source electrode 151 and the 2DEG layer 137 (or the second semiconductor layer 133) in contact therewith. The source electrode 151 and the 2DEG layer 137 are electrically cut off and no current flows.

このように、本実施形態に係る半導体装置111においては、従来の半導体装置と異なり、容易にノーマリオフ特性が得られた。   As described above, in the semiconductor device 111 according to the present embodiment, the normally-off characteristic was easily obtained unlike the conventional semiconductor device.

図3(a)に、本実施形態に係る半導体装置111においてゲート電極153に電圧を印加していない場合の電子のエネルギーの様子を示す。なお、理解を容易にするために、第1半導体層131のバンド構造を2次元電子ガス層のバンド構造に置き換えて説明する。ソース電極(フェルミエネルギーE)と2次元電子ガス層(伝導電子エネルギーE)との界面(接触部171)には十分に厚いショットキー障壁が存在する。よって、ソース電極側の電子はかかる障壁に跳ね返されて(あるいは、障壁を乗り越えられないために)、2次元電子ガス層137に到達できない。よって、ドレイン電極155とソース電極151との間には電流が流れない。 FIG. 3A shows the energy state of electrons when no voltage is applied to the gate electrode 153 in the semiconductor device 111 according to the present embodiment. In order to facilitate understanding, the band structure of the first semiconductor layer 131 is replaced with a band structure of a two-dimensional electron gas layer. A sufficiently thick Schottky barrier exists at the interface (contact portion 171) between the source electrode (Fermi energy E f ) and the two-dimensional electron gas layer (conduction electron energy E c ). Therefore, electrons on the source electrode side are bounced back to the barrier (or cannot get over the barrier) and cannot reach the two-dimensional electron gas layer 137. Therefore, no current flows between the drain electrode 155 and the source electrode 151.

次に、ゲート電極153に正の電位を与える。図1(a)に示したとおり、ゲート電極153の直下にソース電極151と2DEG層137との接触部171が存在するから、かかる接触部171に存在するショットキー障壁は、ゲート電極153からの電界の影響を顕著に受ける。すると、図3(b)に示すように、かかる電界によって接触部171におけるショットキー障壁が薄くなることにより、トンネル効果が顕著になって、ソース電極151から2DEG層137へと電子が流れ、さらにドレイン電極155に取り込まれる。つまり、ゲート電圧の印加により、HEMTをオン状態にすることができる。   Next, a positive potential is applied to the gate electrode 153. As shown in FIG. 1A, since the contact portion 171 between the source electrode 151 and the 2DEG layer 137 exists immediately below the gate electrode 153, the Schottky barrier existing in the contact portion 171 is separated from the gate electrode 153. Remarkably affected by the electric field. Then, as shown in FIG. 3 (b), the Schottky barrier in the contact portion 171 is thinned by the electric field, so that the tunnel effect becomes significant, and electrons flow from the source electrode 151 to the 2DEG layer 137. It is taken into the drain electrode 155. That is, the HEMT can be turned on by applying the gate voltage.

ここで、上述の効果が十分に発現されるためには、2DEG層137に対して垂直な方向に電界を生じさせることが望ましい。そこで、ゲート電極153の下面の高さを一定にすることが好適であり、そのようにするためにはソース電極151の上面と第2半導体層133の上面とが同じ高さであることが望ましい。つまり、ソース電極155の上面と第2半導体層133の上面とが段差なく平坦につながっていることが望ましい。なお、ここでいう平坦とは、必ずしも厳密な平坦さばかりでなく、半導体装置の製造に際して不可避なバラツキの範囲内での平坦さをも含むものとする。   Here, it is desirable to generate an electric field in a direction perpendicular to the 2DEG layer 137 in order to sufficiently exhibit the above-described effect. Therefore, it is preferable to make the height of the lower surface of the gate electrode 153 constant, and in order to do so, the upper surface of the source electrode 151 and the upper surface of the second semiconductor layer 133 are preferably the same height. . That is, it is desirable that the upper surface of the source electrode 155 and the upper surface of the second semiconductor layer 133 are connected flatly without a step. Here, the term “flatness” as used herein includes not only strict flatness but also flatness within a range of inevitable variations in manufacturing a semiconductor device.

また、本実施例において、ゲート電極153に与える正の電位を高くするほど、ショットキー障壁は薄くなるので、ドレイン・ソース間の電流IDSは大きくなる(図7の点線725)。 In this embodiment, the higher the positive potential applied to the gate electrode 153, the thinner the Schottky barrier, so that the drain-source current IDS increases (dotted line 725 in FIG. 7).

また、本実施例においては、図6(b)に示した従来の半導体装置613と異なり第2半導体層133のうちゲート電極153の直下の部分を薄くしていないことと、ソース電極151が電子の伝導チャネルである2DEG層137と接触部171において直接に接していることと、のために、ソース抵抗がほぼゼロになる。よって、ドレイン・ソース間の抵抗値(オン抵抗)は、図6(a)に示す従来の半導体装置611及び図6(b)に示す613よりも小さい。よって、図7に示すとおり、ゲート電圧VGSの変化量に対するドレイン・ソース間の電流IDSの変化量(図7中の傾き735)が、従来の半導体装置(図7中の傾き731)に比べて大きい。つまり、ゲート電圧に対するドレイン・ソース間電流特性が良好なHEMTとなる。 Further, in this embodiment, unlike the conventional semiconductor device 613 shown in FIG. 6B, the portion of the second semiconductor layer 133 immediately below the gate electrode 153 is not thinned, and the source electrode 151 is an electron. Due to the fact that the 2DEG layer 137 which is the conductive channel of the 2DEG layer is in direct contact with the contact portion 171, the source resistance becomes almost zero. Therefore, the drain-source resistance value (ON resistance) is smaller than the conventional semiconductor device 611 shown in FIG. 6A and 613 shown in FIG. 6B. Therefore, as shown in FIG. 7, the amount of change in drain-source current I DS (inclination 735 in FIG. 7) with respect to the amount of change in gate voltage V GS is the conventional semiconductor device (inclination 731 in FIG. 7). Bigger than that. That is, the HEMT has good drain-source current characteristics with respect to the gate voltage.

また、本実施形態に係る半導体装置111においては、従来の半導体装置613の場合と異なり、電子供給層である第2半導体層133のうちのゲート電極153の直下の部分を格別薄くしてはいない。接触部171の右側すなわちドレイン電極155側においては、従来の半導体装置611と同様に、ヘテロ界面135の上に十分な厚さの第2半導体層133すなわち電子供給層がある。よって、従来の半導体装置613に比べて、飽和電流の低下という問題は生じにくい。   Also, in the semiconductor device 111 according to the present embodiment, unlike the conventional semiconductor device 613, the portion immediately below the gate electrode 153 in the second semiconductor layer 133 that is an electron supply layer is not particularly thinned. . On the right side of the contact portion 171, that is, on the drain electrode 155 side, the second semiconductor layer 133, that is, the electron supply layer having a sufficient thickness is formed on the heterointerface 135 as in the conventional semiconductor device 611. Therefore, the problem of a decrease in saturation current is less likely to occur than in the conventional semiconductor device 613.

ゆえに、本実施形態に係る半導体装置111は、ノーマリオフ特性を獲得し、飽和電流値の低下が生じず、ドレインとソースの間の抵抗が低いため電気特性が良いという点で、従来の半導体装置に比べて優れたHEMTである。   Therefore, the semiconductor device 111 according to the present embodiment has a normally-off characteristic, does not cause a decrease in saturation current value, and has a low electrical resistance due to a low resistance between the drain and the source. It is a superior HEMT.

なお、HEMTが実際に使用される環境では、しばしば、スパイク状の突発的な電気的ノイズが発生する。その際、従来のショットキー接合によるノーマリオフ特性を有するHEMTは、かかるノイズの発生の度に、誤ってオン/オフしてしまうおそれがある。それを防止するために、本実施形態に係る半導体装置111では、ゲート絶縁膜157の厚みを増加させ、ゲート電圧VGSがある正の値以上になったときにはじめてオン状態になるようにすればよい。すなわち、図7の白抜き矢印で示すように、本実施例に係るHEMTの電気特性を表す線は、ゲート絶縁膜157を厚くすることにより、容易に+X軸方向に平行移動が可能である。しかも、かかる平行移動の程度は、ゲート絶縁膜157が厚いほど大きい。そこで、上述の突発的な電気的ノイズの大きさを検討した上で、それよりも高いゲート電圧VGSではじめてオン状態になるように、ゲート絶縁膜157の厚みを調整すればよい。このように、本実施形態に係るHEMTは、ノーマリオフ特性を獲得しつつも、ノイズの存在する状況にも柔軟に対応することができるものである。 In an environment where HEMT is actually used, spike-like sudden electrical noise is often generated. At that time, the HEMT having a normally-off characteristic by a conventional Schottky junction may be turned on / off by mistake every time such noise is generated. In order to prevent this, in the semiconductor device 111 according to the present embodiment, the thickness of the gate insulating film 157 is increased so that it is turned on only when the gate voltage V GS exceeds a positive value. That's fine. That is, as indicated by the white arrow in FIG. 7, the line representing the electrical characteristics of the HEMT according to this example can be easily translated in the + X-axis direction by increasing the thickness of the gate insulating film 157. In addition, the degree of such parallel movement is larger as the gate insulating film 157 is thicker. Therefore, after considering the magnitude of the above-described sudden electrical noise, the thickness of the gate insulating film 157 may be adjusted so that the gate electrode V GS is turned on only when the gate voltage V GS is higher than that. As described above, the HEMT according to the present embodiment can flexibly cope with a situation where noise is present while obtaining a normally-off characteristic.

(実施形態2)
本実施形態に係る半導体装置113(図1(b))は、実施形態1に係るHEMTを、3つの点において、改良したものである。
(Embodiment 2)
The semiconductor device 113 (FIG. 1B) according to the present embodiment is an improvement of the HEMT according to the first embodiment in three respects.

1つめの改良点は、半導体装置113を真上から見たときの、ゲート電極153とソース電極151との重なりを大きくした点である。これにより、ソース電極151と2DEG層137とは、ゲート電極153の下方で確実に接触部171を有することになるため、ノーマリオフ特性を有するHEMTとしての動作が確実になる。   The first improvement is that the overlap between the gate electrode 153 and the source electrode 151 when the semiconductor device 113 is viewed from directly above is increased. Thus, the source electrode 151 and the 2DEG layer 137 surely have the contact portion 171 below the gate electrode 153, so that the operation as a HEMT having normally-off characteristics is ensured.

2つめの改良点は、ソース電極151を半導体層に埋め込む際に、該電極が2DEG層137を貫いて第1半導体層131の十分に深い部分にまで達するようにしたことである。これにより、ソース電極151と2DEG層137とは、接触部171にて面接触することになるため、ノーマリオフ特性を有するHEMTとしての動作が確実になるとともに、ゲート電圧に対するドレイン・ソース間の電流特性をさらに良好にすることができるようになる。   The second improvement is that when the source electrode 151 is embedded in the semiconductor layer, the electrode penetrates through the 2DEG layer 137 and reaches a sufficiently deep portion of the first semiconductor layer 131. As a result, the source electrode 151 and the 2DEG layer 137 are in surface contact with each other at the contact portion 171, so that the operation as a HEMT having normally-off characteristics is ensured and the drain-source current characteristics with respect to the gate voltage. Can be further improved.

3つめの改良点は、ドレイン電極155を、2DEG層137を貫いて第1半導体層131の十分に深い部分にまで達するように掘った溝に埋め込んだことである。これにより、ドレイン電極155は、2DEG層137と直接に接触することになるため、オン抵抗を減少させることができる。よって、ゲート電圧の変化に対するドレイン・ソース間の電流の特性をさらに良好にすることができるようになる。   The third improvement is that the drain electrode 155 is buried in a trench dug so as to penetrate the 2DEG layer 137 and reach a sufficiently deep portion of the first semiconductor layer 131. As a result, the drain electrode 155 is in direct contact with the 2DEG layer 137, so that the on-resistance can be reduced. Therefore, it is possible to further improve the characteristics of the drain-source current with respect to changes in the gate voltage.

なお、これら3つの改良点のうち、1つだけを適用してもよいし、又は、任意の2つを組み合わせて適用してもよい。   Of these three improvements, only one may be applied, or any two may be applied in combination.

(実施形態3)
本実施形態に係る半導体装置211は、実施形態1に係るHEMTを、製造の容易さという観点から変形したものである(図2(a))。
(Embodiment 3)
The semiconductor device 211 according to the present embodiment is a modification of the HEMT according to the first embodiment from the viewpoint of ease of manufacture (FIG. 2A).

本実施形態に係るHEMTにおいては、ソース電極151を埋め込むために第1半導体層133に掘られる溝が、深さの向きに溝幅が狭くなるテーパーをなしている。該溝を、実施形態1のように、第2半導体層の上面に対して垂直に掘らなくてもよいから、製造が容易になる。   In the HEMT according to the present embodiment, a groove dug in the first semiconductor layer 133 to bury the source electrode 151 has a taper in which the groove width becomes narrower in the depth direction. Since the groove does not have to be dug perpendicularly to the upper surface of the second semiconductor layer as in the first embodiment, the manufacture is facilitated.

本実施形態に係る半導体装置113がその効果を十分に奏するためには、実施形態1に係る半導体装置111の場合と同様に、ゲート電極153が第2半導体層133の上面から第2半導体層133とソース電極151の界面を超えてソース電極151の上面まで延伸し、ソース電極151と2DEG層137との接触部171が、ゲート電極153の直下に位置することが望ましい。   In order for the semiconductor device 113 according to the present embodiment to sufficiently exhibit the effect, the gate electrode 153 is formed from the upper surface of the second semiconductor layer 133 to the second semiconductor layer 133 as in the case of the semiconductor device 111 according to the first embodiment. The contact portion 171 between the source electrode 151 and the 2DEG layer 137 is preferably located immediately below the gate electrode 153, extending beyond the interface between the source electrode 151 and the upper surface of the source electrode 151.

(実施形態4)
実施形態3が実施形態1を簡略化したものであるのと同様に、本実施形態に係る半導体装置213は、実施形態2に係る半導体装置113を製造容易としたものである。すなわち、ドレイン電極155を、実施形態3におけるソース電極151を埋め込むための溝と同様のテーパーを設けつつ形成した溝に、埋め込むように形成したものである(図2(b))。実施形態3の場合と同様に、製造が容易になるというメリットがある。
(Embodiment 4)
In the same way as the third embodiment is a simplification of the first embodiment, the semiconductor device 213 according to the present embodiment makes it easier to manufacture the semiconductor device 113 according to the second embodiment. That is, the drain electrode 155 is formed so as to be embedded in a groove formed with a taper similar to the groove for embedding the source electrode 151 in the third embodiment (FIG. 2B). As in the case of the third embodiment, there is a merit that manufacturing is easy.

(実施形態5)
本実施形態に係る半導体装置は、実施形態1〜4と異なり、ソース電極151と第2半導体層133との厚み方向の界面に着目するのではなく、ソース電極151と第2半導体層133との幅方向(横方向)の界面に着目し、ソース電極151を2DEG層137に接触させることなしに、容易にノーマリオフ特性をはじめ良好な電気特性が得られるようにしたHEMTである。
(Embodiment 5)
Unlike the first to fourth embodiments, the semiconductor device according to the present embodiment does not focus on the interface in the thickness direction between the source electrode 151 and the second semiconductor layer 133, but instead of the source electrode 151 and the second semiconductor layer 133. Focusing on the interface in the width direction (lateral direction), the HEMT can easily obtain normally-off characteristics and good electrical characteristics without bringing the source electrode 151 into contact with the 2DEG layer 137.

図4(a)は、本実施形態に係る半導体装置411の断面の模式図である。実施形態1〜実施形態4の場合と異なり、ソース電極151は、第1半導体層131にも第2半導体層133にも埋め込まずに、第2半導体層133の上面に設ける。   FIG. 4A is a schematic cross-sectional view of the semiconductor device 411 according to this embodiment. Unlike the first to fourth embodiments, the source electrode 151 is provided on the upper surface of the second semiconductor layer 133 without being embedded in the first semiconductor layer 131 or the second semiconductor layer 133.

このようにソース電極151を形成することには、ソース電極151を第1半導体層131や第2半導体層133に埋め込む場合(実施形態1〜実施形態4)に比べて、ソース電極151と第1半導体層131との密着性及びソース電極151と第2半導体層133との密着性を向上させることができる等の利点がある。   In forming the source electrode 151 in this way, the source electrode 151 and the first electrode 151 are formed in comparison with the case where the source electrode 151 is embedded in the first semiconductor layer 131 or the second semiconductor layer 133 (the first to fourth embodiments). There are advantages such as improvement in adhesion between the semiconductor layer 131 and adhesion between the source electrode 151 and the second semiconductor layer 133.

ソース電極151を第2半導体層133の上面に設けるにあたり、ソース電極151が設けられる領域の下部において、通常よりも第2半導体層133を厚く形成する。   In providing the source electrode 151 on the upper surface of the second semiconductor layer 133, the second semiconductor layer 133 is formed thicker than usual in the lower portion of the region where the source electrode 151 is provided.

ここで、第2半導体層133のうちの、ソース電極151が設けられている領域の下部の厚い部分を、第1の部分133Aとし、他の部分を、第2の部分133Bとする。図4(a)の横方向の一点鎖線の上側が第1の部分133Aであり、下側が第2の部分133Bである。なお、第1の部分133Aは、n型不純物をドープしてコンタクト層としてもよい。   Here, in the second semiconductor layer 133, a thick portion at a lower portion of a region where the source electrode 151 is provided is referred to as a first portion 133A, and the other portion is referred to as a second portion 133B. The upper side of the one-dot chain line in the horizontal direction of FIG. 4A is the first portion 133A, and the lower side is the second portion 133B. Note that the first portion 133A may be doped with an n-type impurity to form a contact layer.

なお、このように第2半導体層133を部分的に厚く形成することは、相対的観点からすれば、第2半導体層133の上面のうち、ソース電極151が形成されていない領域をリセスして(凹部として)ノーマリオフ特性を得ようとする前述の従来の手法(図6(b))と同じであるともいえる。   Note that the formation of the second semiconductor layer 133 partially thick in this way is, from a relative point of view, by recessing a region of the upper surface of the second semiconductor layer 133 where the source electrode 151 is not formed. It can be said that this is the same as the above-described conventional method (FIG. 6B) for obtaining normally-off characteristics (as a recess).

しかし、本実施形態においては、電子供給層たる第2半導体層133は、厚さがまず全範囲に渡って通常通り確保された上で、ソース電極151の形成される範囲だけ特に厚くなるように、また、厚み方向に段差をなして第2半導体層133の側面が露出するように、形成されている。このため、ドライエッチングによってゲート電極の直下の電子供給層を数原子層程度の厚み以下としなければならない従来のリセスゲート構造とは異なり、より確実にノーマリオフ特性が得られ、また、製造が容易なために歩留まりの向上が見込まれる。また、前述の、図7のIDS、S1で表される、リセスによる飽和電流値の低下は、本実施形態に係る半導体装置411には、生じない。 However, in the present embodiment, the thickness of the second semiconductor layer 133 as the electron supply layer is first ensured as usual over the entire range, and is particularly thick only in the range where the source electrode 151 is formed. In addition, the second semiconductor layer 133 is formed so as to expose a side surface with a step in the thickness direction. Therefore, unlike the conventional recessed gate structure in which the electron supply layer directly under the gate electrode must be made to have a thickness of about several atomic layers or less by dry etching, normally-off characteristics can be obtained more reliably and manufacturing is easy. Yield is expected to improve. Further, the above-described decrease in the saturation current value due to the recess, which is represented by IDS and S1 in FIG. 7, does not occur in the semiconductor device 411 according to the present embodiment.

ソース電極151の下部では第2半導体層133が厚くなっている上に、ソース電極151自体の厚さも加わって、第2半導体層133の上面には段差が生じている。ゲート電極153は、ゲート絶縁膜157を伴いつつ、第2半導体層133の上面に形成されたソース電極151の少なくとも側壁面から、ソース電極151と第2半導体層133との界面を含み、段差によって露出した第2半導体層133の一部にかけての範囲を、覆うように形成される。ゲート電極153及びゲート絶縁膜157の断面は、図示するように、ソース電極151の上面にまで延伸し、結果的に階段状になることが望ましい。   In addition to the thickness of the second semiconductor layer 133 below the source electrode 151, the thickness of the source electrode 151 itself is added, and a step is generated on the upper surface of the second semiconductor layer 133. The gate electrode 153 includes the interface between the source electrode 151 and the second semiconductor layer 133 from at least the side wall surface of the source electrode 151 formed on the upper surface of the second semiconductor layer 133 with the gate insulating film 157. It is formed so as to cover a range over a part of the exposed second semiconductor layer 133. As shown in the drawing, it is desirable that the cross sections of the gate electrode 153 and the gate insulating film 157 extend to the upper surface of the source electrode 151, resulting in a stepped shape.

図4(a)において、横の点線461及び463、縦の点線465及び467、は、以下の説明のためのものである。   In FIG. 4A, horizontal dotted lines 461 and 463 and vertical dotted lines 465 and 467 are for the following explanation.

ゲート電極153の上面は、ソース電極151と第2半導体層133の第1の部分133Aとの界面よりも高い位置、例えば図中の点線461で示される面より上に位置する必要がある。ゲート電極153の下面は、ソース電極151と第2半導体層133の第1の部分133Aとの界面よりも低い位置、例えば、図中の点線463で示される面より下に位置する必要がある。ゲート電極153は、第2半導体層133の第1の部分133Aとゲート絶縁膜157とが接している部分の、ソース電極151側の側壁端にあたる点線465から、ドレイン電極155側の側壁端となる点線467まで、延伸していることが望ましい。   The upper surface of the gate electrode 153 needs to be positioned higher than the interface between the source electrode 151 and the first portion 133A of the second semiconductor layer 133, for example, above the plane indicated by the dotted line 461 in the drawing. The lower surface of the gate electrode 153 needs to be positioned lower than the interface between the source electrode 151 and the first portion 133A of the second semiconductor layer 133, for example, below the plane indicated by the dotted line 463 in the drawing. The gate electrode 153 becomes a side wall end on the drain electrode 155 side from a dotted line 465 corresponding to a side wall end on the source electrode 151 side of a portion where the first portion 133A of the second semiconductor layer 133 and the gate insulating film 157 are in contact with each other. It is desirable to extend to the dotted line 467.

本実施形態に係るHEMTにおいては、動作において、2箇所の領域が重要である。ひとつは、ソース電極151と第2半導体層133との界面を含む、点線461と点線463に挟まれた、楕円471で示される領域である。この領域における、本発明に特徴的な電気特性の発現のメカニズムは、実施形態1〜4の場合と同様である。もうひとつ重要であるのは、2DEG層137のうち、点線465と点線467とに挟まれた、楕円473で示される領域である。この領域における、本発明に特徴的な電気特性の発現のメカニズムについては、後述する。   In the HEMT according to this embodiment, two regions are important in the operation. One is a region indicated by an ellipse 471 sandwiched between a dotted line 461 and a dotted line 463 including the interface between the source electrode 151 and the second semiconductor layer 133. In this region, the mechanism of expression of the electrical characteristics characteristic of the present invention is the same as in the first to fourth embodiments. Another important area is an area indicated by an ellipse 473 between the dotted lines 465 and 467 in the 2DEG layer 137. The mechanism of the expression of electrical characteristics characteristic of the present invention in this region will be described later.

ソース電極151としてショットキー電極が採用され、本実施形態に係る半導体装置411は、ノーマリオフ特性を獲得する。そして、本実施形態における第2半導体層133の第1の部分133Aが、実施形態1の2DEG層137(図1(a))までの電流通路の役割を担うので、原理的には、本実施形態における作用・効果は、実施形態1における作用・効果と同様である。   A Schottky electrode is employed as the source electrode 151, and the semiconductor device 411 according to the present embodiment acquires normally-off characteristics. The first portion 133A of the second semiconductor layer 133 in the present embodiment plays a role of a current path to the 2DEG layer 137 (FIG. 1A) of the first embodiment. The operation / effect in the embodiment is the same as the operation / effect in the first embodiment.

ゲート電極153は、ソース電極151と第2半導体層133の第1の部分133Aとの界面をまたぐようにして、ソース電極151の側面と第2半導体層133の第1の部分133Aの側面とに、ゲート絶縁膜157を介して形成されている。   The gate electrode 153 spans the interface between the source electrode 151 and the first portion 133A of the second semiconductor layer 133 so as to cross the side surface of the source electrode 151 and the side surface of the first portion 133A of the second semiconductor layer 133. The gate insulating film 157 is interposed therebetween.

本実施形態に係る半導体装置411のHEMTとしての動作を、図5に示す電子エネルギーの模式図を参照しつつ説明する。まず、ソース電極151を接地し、ドレイン電極155に電圧を印加すると、ソース電極151と第2半導体層133との間には逆バイアスが印加された状態になる。   The operation of the semiconductor device 411 according to this embodiment as a HEMT will be described with reference to a schematic diagram of electron energy shown in FIG. First, when the source electrode 151 is grounded and a voltage is applied to the drain electrode 155, a reverse bias is applied between the source electrode 151 and the second semiconductor layer 133.

ゲート電極153に電圧を加えないとき、上述のように、ソース電極151と第2半導体層133との間には逆バイアスが印加された状態になり、ドレイン・ソース間には電流が流れない。図4(a)において楕円471及び楕円473により示される2つの領域を考慮に入れて、かかる状態を電子エネルギーの模式図として表すと、図5(a)のようになる。   When no voltage is applied to the gate electrode 153, a reverse bias is applied between the source electrode 151 and the second semiconductor layer 133 as described above, and no current flows between the drain and the source. In consideration of the two regions indicated by the ellipse 471 and the ellipse 473 in FIG. 4A, this state is represented as a schematic diagram of electron energy as shown in FIG. 5A.

領域471、すなわちソース電極151と電子供給層(第2半導体層133)との界面には、厚いショットキー障壁が存在する。   A thick Schottky barrier exists at the interface between the region 471, that is, the source electrode 151 and the electron supply layer (second semiconductor layer 133).

一方、電子供給層(第2半導体層133)と2DEG層137(あるいは第1半導体層131)との界面473には、エネルギー障壁が存在する。   On the other hand, an energy barrier exists at the interface 473 between the electron supply layer (second semiconductor layer 133) and the 2DEG layer 137 (or the first semiconductor layer 131).

したがって、図5(a)に示すように、ソース電極151の内部の電子は2DEG層137に到達することができない。よって、半導体装置411の内部には、電流が流れない。すなわち、半導体装置411は、ノーマリオフ特性を有する。   Therefore, as shown in FIG. 5A, electrons inside the source electrode 151 cannot reach the 2DEG layer 137. Therefore, no current flows inside the semiconductor device 411. That is, the semiconductor device 411 has normally-off characteristics.

ここで、ゲート電極153に正の電圧を印加すると、領域471と領域473はいずれもゲート電極153からの電界の影響を受ける。特に、ゲート電極153に印加された電圧による電界は、領域471に含まれる界面と領域473に含まれる界面とに垂直方向に生じるため、ゲート電極153に印可された電圧の影響は大きい。   Here, when a positive voltage is applied to the gate electrode 153, both the region 471 and the region 473 are affected by the electric field from the gate electrode 153. In particular, since the electric field due to the voltage applied to the gate electrode 153 is generated in the direction perpendicular to the interface included in the region 471 and the interface included in the region 473, the influence of the voltage applied to the gate electrode 153 is large.

なお、領域471に含まれる界面に垂直方向に電界を生じさせるためには、ソース電極151の側面の露出部から第2半導体層133の側面の露出部にかけての部分が平坦であることが望ましい。本実施形態では、ソース電極151をマスクとして第2半導体層133の側面を露出させるようにエッチングし、その後、ゲート絶縁膜157及びゲート電極153を積層し、所定のパターニングを施すことにより、容易に上記の構造を形成することができる。   Note that in order to generate an electric field in a direction perpendicular to the interface included in the region 471, a portion from the exposed portion of the side surface of the source electrode 151 to the exposed portion of the side surface of the second semiconductor layer 133 is desirably flat. In the present embodiment, etching is performed using the source electrode 151 as a mask so as to expose the side surface of the second semiconductor layer 133, and then the gate insulating film 157 and the gate electrode 153 are stacked and easily subjected to predetermined patterning. The above structure can be formed.

ゲート電極153に正の電圧を印加した場合の電子のエネルギーの状態は、図5(b)のようになる。まず、領域471、すなわちソース電極151と電子供給層(第2半導体層133)との界面におけるショットキー障壁は、ゲート電極153の主に点線461と点線463とにより囲まれた部分からの電界により、図中の上向きの白抜き矢印(1)で示すように、薄くなる。さらに、2DEG層137は、ゲート電極153の主に点線465と点線467とにより囲まれた部分からの電界により、図中の左向きの白抜き矢印(2)で示すように、低くなる。   The state of electron energy when a positive voltage is applied to the gate electrode 153 is as shown in FIG. First, the Schottky barrier at the interface between the region 471, that is, the source electrode 151 and the electron supply layer (second semiconductor layer 133) is caused by the electric field mainly from the portion surrounded by the dotted line 461 and the dotted line 463 of the gate electrode 153. As shown by the upward white arrow (1) in the figure, it becomes thinner. Further, the 2DEG layer 137 is lowered by an electric field mainly from a portion surrounded by the dotted line 465 and the dotted line 467 of the gate electrode 153, as indicated by a left-pointed white arrow (2) in the drawing.

このように、ショットキー障壁が薄くなることと、低くなることと、が相まって、トンネル効果が生じやすくなる。すなわち、電子は、ソース電極151から2DEG層137に到達するようになる。こうして本実施形態に係る半導体装置411においてソース電極151とドレイン電極155との間に電流が流れ、オン状態となる。   Thus, the tunnel effect is likely to occur due to the combination of the thin Schottky barrier and the low Schottky barrier. That is, electrons reach the 2DEG layer 137 from the source electrode 151. In this way, in the semiconductor device 411 according to this embodiment, a current flows between the source electrode 151 and the drain electrode 155 to be turned on.

ゲート電極153に加えた電圧を高くすれば、ショットキー障壁はさらに薄くかつ低くなるので、トンネル効果がより生じやすくなり、その結果半導体装置411を流れる電流が増加する。このように、ゲート電圧VGSを制御することにより、ドレイン・ソース間電流IDSを制御することができる。 If the voltage applied to the gate electrode 153 is increased, the Schottky barrier becomes thinner and lower, so that the tunnel effect is more likely to occur. As a result, the current flowing through the semiconductor device 411 increases. In this way, the drain-source current I DS can be controlled by controlling the gate voltage V GS .

(実施形態6)
本実施形態に係る半導体装置413の断面模式図を、図4(b)に示す。実施形態5においては、第2半導体層133の第2の部分133Bの上面のソース電極151を設ける領域に第1の部分133Aを形成して第2半導体層133に段差を設けたのに対して、本実施形態においては、くぼみ又は溝を設け、ゲート絶縁膜157を介して、ゲート電極153を、かかるくぼみ又は溝に埋め込むようにしている。
(Embodiment 6)
FIG. 4B shows a schematic cross-sectional view of the semiconductor device 413 according to this embodiment. In the fifth embodiment, the first portion 133A is formed in the region where the source electrode 151 is provided on the upper surface of the second portion 133B of the second semiconductor layer 133, and a step is provided in the second semiconductor layer 133. In this embodiment, a recess or groove is provided, and the gate electrode 153 is embedded in the recess or groove via the gate insulating film 157.

第2半導体層133の厚みは、全面に渡り、実施形態5に係る半導体装置411の第2半導体層133のうち段差をなして厚くなっている部分の厚みに合わせてある。すなわち、従来の一般的な半導体装置611(図6(a))に比べると、第2半導体層133が厚い。   The thickness of the second semiconductor layer 133 is adjusted over the entire surface to match the thickness of the thickened portion of the second semiconductor layer 133 of the semiconductor device 411 according to the fifth embodiment. That is, the second semiconductor layer 133 is thicker than the conventional general semiconductor device 611 (FIG. 6A).

よって、仮に第2半導体層133の上面にそのままゲート電極153を形成してしまうと、従来の半導体装置に比べて、ゲート電極153の下面と2DEG層137との距離が長すぎるために、ゲート電圧印加による2DEG層上面(図中の界面473)におけるショットキー障壁の厚さの制御が難しくなる。   Therefore, if the gate electrode 153 is formed as it is on the upper surface of the second semiconductor layer 133, the distance between the lower surface of the gate electrode 153 and the 2DEG layer 137 is too long compared to the conventional semiconductor device, and thus the gate voltage. It becomes difficult to control the thickness of the Schottky barrier on the upper surface of the 2DEG layer (interface 473 in the figure) by application.

そこで、本実施形態においては、第2半導体層133の上面に十分な深さのくぼみ又は溝を掘り、ゲート電極153の一部分を、その下部にゲート絶縁膜157を沿わせつつ、第2半導体層133の内部に埋め込む。これにより、ゲート電極153下面と2DEG層137上面との距離を縮め、界面473に存在するショットキー障壁の制御が可能になる。   Therefore, in the present embodiment, a recess or groove having a sufficient depth is dug in the upper surface of the second semiconductor layer 133, and a part of the gate electrode 153 is placed along the gate insulating film 157 under the second semiconductor layer 133. It is embedded inside 133. Thereby, the distance between the lower surface of the gate electrode 153 and the upper surface of the 2DEG layer 137 is shortened, and the Schottky barrier existing at the interface 473 can be controlled.

よって、かかる半導体装置413も、実施形態5と同様の界面471及び473を有することになる。したがって、実施形態5と同様に動作させることができる。   Therefore, the semiconductor device 413 also has interfaces 471 and 473 similar to those of the fifth embodiment. Therefore, it can be operated similarly to the fifth embodiment.

なお、この発明は、上記実施形態に限定されず、種々の変形及び応用が可能である。例えば実施形態1〜6において、第1半導体層131の下に、半導体層をエピタキシャル成長させるための周知の基板を設けたり、さらには、該基板と第1半導体層131との間にバッファ層を設けたりしてもよい。   In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various deformation | transformation and application are possible. For example, in Embodiments 1 to 6, a known substrate for epitaxially growing a semiconductor layer is provided under the first semiconductor layer 131, and further, a buffer layer is provided between the substrate and the first semiconductor layer 131. Or you may.

上述の半導体装置の構成は例示であって、限定されるものではない。第1半導体層131及び第2半導体層133の例として窒化物系化合物半導体を挙げたが、GaAs等、他のIII−V族化合物半導体であってもよい。また、第2半導体層133とドレイン電極155との間や、第2半導体層133とソース電極151との間に、n型不純物を添加したコンタクト層を挿入してもよい。あるいはまた、第1半導体層131と第2半導体層133との間に、AlN層を挟んでもよい。これらを含んだものを半導体基体と呼ぶことにする。本発明に係る半導体装置には、この半導体基体全体も含まれる。   The above-described configuration of the semiconductor device is an example and is not limited. Although the nitride compound semiconductor has been described as an example of the first semiconductor layer 131 and the second semiconductor layer 133, other III-V group compound semiconductors such as GaAs may be used. Further, a contact layer to which an n-type impurity is added may be inserted between the second semiconductor layer 133 and the drain electrode 155 or between the second semiconductor layer 133 and the source electrode 151. Alternatively, an AlN layer may be sandwiched between the first semiconductor layer 131 and the second semiconductor layer 133. A substrate including these is called a semiconductor substrate. The semiconductor device according to the present invention includes the entire semiconductor substrate.

また、実施形態1〜実施形態4において、ソース電極151は凹部を完全に埋めるまで厚く形成しなくてもよい。同様に、実施形態5及び実施形態6において、ゲート絶縁膜157の段差に合わせるようにしてゲート電極153に段差が設けられていてもよい。   In Embodiments 1 to 4, the source electrode 151 does not have to be formed thick until the recess is completely filled. Similarly, in the fifth and sixth embodiments, a step may be provided in the gate electrode 153 so as to match the step of the gate insulating film 157.

本発明の実施形態1及び実施形態2に係る、HEMTとして機能する半導体装置の構成を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the structure of the semiconductor device which functions as HEMT based on Embodiment 1 and Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施形態3及び実施形態4に係る、HEMTとして機能する半導体装置の構成を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the structure of the semiconductor device which functions as HEMT based on Embodiment 3 and Embodiment 4 of this invention. 本発明の実施形態1〜実施形態4における、電子エネルギーとショットキー障壁の関係を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the relationship between the electron energy and the Schottky barrier in the first to fourth embodiments of the present invention. 本発明の実施形態5及び実施形態6に係る、HEMTとして機能する半導体装置の構成を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the structure of the semiconductor device which functions as HEMT based on Embodiment 5 and Embodiment 6 of this invention. 本発明の実施形態5及び実施形態6における、電子エネルギーとショットキー障壁の関係を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the relationship between electron energy and a Schottky barrier in Embodiment 5 and Embodiment 6 of this invention. HEMTとして機能する、従来の一般的な半導体装置の構成を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the structure of the conventional common semiconductor device which functions as HEMT. HEMTの電気特性を示す図である。It is a figure which shows the electrical property of HEMT.

符号の説明Explanation of symbols

111 実施形態1に係る半導体装置
113 実施形態2に係る半導体装置
131 第1半導体層
133 第2半導体層
133A 第2半導体層の第1の部分
133B 第2半導体層の第2の部分
135 ヘテロ界面
137 2次元電子ガス層
151 ソース電極
153 ゲート電極
155 ドレイン電極
157 ゲート絶縁膜
171 ソース電極と2次元電子ガス層との接触部
211 実施形態3に係る半導体装置
213 実施形態4に係る半導体装置
411 実施形態5に係る半導体装置
413 実施形態6に係る半導体装置
471 ソース電極と第2半導体層との界面を含む領域
473 2DEG層の一部である領域
111 Semiconductor Device According to First Embodiment 113 Semiconductor Device According to Second Embodiment 131 First Semiconductor Layer 133 Second Semiconductor Layer 133A First Part of Second Semiconductor Layer 133B Second Part of Second Semiconductor Layer 135 Heterointerface 137 Two-dimensional electron gas layer 151 Source electrode 153 Gate electrode 155 Drain electrode 157 Gate insulating film 171 Contact portion between source electrode and two-dimensional electron gas layer 211 Semiconductor device according to Embodiment 3 213 Semiconductor device according to Embodiment 4 411 Embodiment Semiconductor device according to 5 413 Semiconductor device according to the sixth embodiment 471 Region including interface between source electrode and second semiconductor layer 473 Region that is part of 2DEG layer

Claims (4)

第1半導体層と、前記第1半導体層の上に前記第1半導体層とヘテロ界面をなし該ヘテロ界面の該第1半導体層側に2次元電子ガス層を生じさせるように形成された第2半導体層と、から構成され厚み方向に段差をなして側方が露出している半導体基体と、
前記第2半導体層の上面のうち前記段差により高い位置の部分に形成され前記半導体基体とショットキー接合する第1電極と、
前記第1電極の側面の露出部から前記第1電極の側面の露出部と前記半導体基体の側方の露出部との界面を経て前記半導体基体の側方の露出部を連続的に覆う絶縁膜と、
前記絶縁膜を介し前記第1電極の側面の露出部と前記半導体基体の側方の露出部との界面をまたぐように形成された第2電極と、
前記第1電極及び前記第2電極と離間した位置に形成されかつ前記半導体基体の上面に低抵抗接触する第3電極と、
を備える半導体装置。
A second semiconductor layer formed on the first semiconductor layer so as to form a two-dimensional electron gas layer on the first semiconductor layer side of the heterointerface by forming a heterointerface with the first semiconductor layer; A semiconductor substrate, and a semiconductor substrate that is formed with a step in the thickness direction and exposed laterally;
A first electrode formed in a portion of the upper surface of the second semiconductor layer at a higher position due to the step, and a Schottky junction with the semiconductor substrate;
An insulating film that continuously covers the exposed portion on the side of the semiconductor substrate from the exposed portion on the side surface of the first electrode through the interface between the exposed portion on the side surface of the first electrode and the exposed portion on the side of the semiconductor substrate. When,
A second electrode formed across the interface between the exposed portion on the side surface of the first electrode and the exposed portion on the side of the semiconductor substrate via the insulating film;
A third electrode formed at a position spaced apart from the first electrode and the second electrode and in low resistance contact with the upper surface of the semiconductor substrate;
A semiconductor device comprising:
前記第2半導体層の上面のうち、前記段差により低い位置の部分の上にも、前記第2電極が形成されている、
ことを特徴とする請求項に記載の半導体装置。
Of the upper surface of the second semiconductor layer, the second electrode is also formed on the lower portion of the step.
The semiconductor device according to claim 1 .
前記第1電極の側面の露出部と前記半導体基体の側方の露出部との界面において、前記第1電極の側面の露出部から前記半導体基体の側方の前記第2半導体層の露出部にかけて平坦である、
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。
At the interface between the exposed portion on the side surface of the first electrode and the exposed portion on the side of the semiconductor substrate, from the exposed portion on the side surface of the first electrode to the exposed portion of the second semiconductor layer on the side of the semiconductor substrate. Flat,
The semiconductor device according to claim 1 or 2, characterized in that.
前記第1半導体層と前記第2半導体層とは、互いに異なる窒化物系化合物半導体から構成される、
ことを特徴とした請求項1乃至の何れか1項に記載の半導体装置。
The first semiconductor layer and the second semiconductor layer are composed of different nitride compound semiconductors,
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 3 characterized in that.
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