DE112016007367B4 - Verbundhalbleitervorrichtung - Google Patents

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Abstract

Verbundhalbleitervorrichtung, umfassend:ein Substrat (1);eine Halbleiterschicht (2, 3), die auf dem Substrat (1) angeordnet ist;eine Gateelektrode (4), eine Sourceelektrode (5) und eine Drainelektrode (6), die auf der Halbleiterschicht (3) angeordnet sind; undein Material (15) mit einem stark korrelierten Elektronensystem, das zwischen die Sourceelektrode (5) und die Drainelektrode (6) geschaltet ist und ein MOTT-Isolator ist, der eine Potentialfluktuation in der Verbundhalbleitervorrichtung erfasst und einen Phasenübergang von einem Isolator zu einem Leiter durchmacht, wenn Elektron-Loch-Paare in der Verbundhalbleitervorrichtung, durch die hochenergetische Teilchen durchgegangen sind, erzeugt werden,wobei das Material (12, 15) mit einem stark korrelierten Elektronensystem auf dem Substrat (1) angeordnet ist, undwobei das Material (12, 15) mit einem stark korrelierten Elektronensystem zwischen einer Basiselektrode (13) und einer oberen Elektrode (14) sandwichartig angeordnet ist.

Description

  • Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Verbundhalbleitervorrichtung, die selbst in einem harten Umfeld, in dem die Verbundhalbleitervorrichtung hochenergetischen Teilchen ausgesetzt ist, kaum bzw. schwerlich zerstört und verschlechtert wird.
  • Hintergrund
  • Eine Verbundhalbleitervorrichtung wird als ein Feldeffekttransistor wie etwa ein MES-FET oder ein HEMT (siehe zum Beispiel PTL1 bis PTL3) verwendet. Es gibt einen Fall, in dem eine Vorrichtung einem harten Umfeld ausgesetzt ist, in dem hochenergetische Teilchen darauf auftreffen, durch einen Passivierungsfilm, eine Sourcefeldplatte und einen aktiven Bereich der Vorrichtung durchgehen und ein Substrat erreichen. Zu dieser Zeit wird eine große Menge Elektron-Loch-Paare um eine Trajektorie herum erzeugt, über welche die hochenergetischen Teilchen gelangt sind, und gemäß der Mobilität eines Materials, einer Rekombinationsgeschwindigkeit und einer angelegten Spannung diffundiert oder rekombiniert.
  • US 2016 / 0 284 828 A1 beschreibt eine Halbleitervorrichtung, welche umfasst: eine erste Schicht, eine zweite Schicht, die auf der ersten Schicht bereitgestellt ist, wobei die zweite Schicht ein zweidimensionales Elektronengas in der ersten Schicht bildet; eine auf der zweiten Schicht bereitgestellte Source-Elektrode, eine auf der zweiten Schicht bereitgestellte Drain-Elektrode, eine zwischen der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode auf der zweiten Schicht bereitgestellte Gate-Elektrode und eine zwischen der Gate-Elektrode und der Drain-Elektrode auf der bereitgestellte erste Isolierschicht zweite Schicht. Die erste Isolierschicht enthält einen ersten Film, einen zweiten Film mit einer höheren Sauerstoffdichte als der erste Film und einen ersten Bereich, der zwischen dem ersten Film und dem zweiten Film vorgesehen ist.
  • JP 2000 - 269 367 A beschreibt eine Halbleiterspeichervorrichtung, welche mit einem Mott-Isolator versehen ist, der so ausgebildet ist, dass ein Teil des Isolators in Kontakt mit einem schwebenden Gate steht und der andere Teil in Kontakt mit einem Siliziumsubstrat vom P-Typ ist. Der Metall-Isolator-Phasenübergang wird im Isolator verursacht. Zum Zeitpunkt des Injizierens oder Entladens von Elektronen in und aus dem schwebenden Gate als Träger werden die Injektion und Entladung nicht durch einen Gate-Oxidfilm durchgeführt, sondern durch die metallische Phase des Mott-Isolators.
  • Zitatliste
  • Patentliteratur
    • [PTL 1] JP 2006 - 253 654 A
    • [PTL 2] JP 2010 - 67 693 A
    • [PTL 3] JP 2011 - 243 632 A
  • Zusammenfassung
  • Technisches Problem
  • Ein hohes elektrisches Feld wird zwischen einem Endabschnitt auf einer Drainelektrodenseite einer Sourcefeldplatte und einer AlGaN-Kanalschicht angelegt. Wenn auf einen Einfall hochenergetischer Teilchen hin im Passivierungsfilm eine große Menge Elektron-Loch-Paare erzeugt wird, wird bei diesem Abschnitt ein Leitungspfad ausgebildet, was einen Durchschlag bzw. eine Zerstörung zur Folge hat. Oder es bestand ein Problem, dass die Konzentration von Löchern in der Nähe der Oberfläche eines Halbleiters im Prozess einer Diffusion und Rekombination von im Halbleiter erzeugten Elektron-Loch-Paaren zunimmt, was eine Zunahme des Potentials oder eine Erhöhung eines Lochstroms bewirkt, was eine Zerstörung zur Folge hat oder eine Verschlechterung erleichtert. Desgleichen bestand ein Problem, dass ein hohes elektrisches Feld zwischen einem Endabschnitt auf einer Drainelektrodenseite einer Gateelektrode und der AlGaN-Kanalschicht angelegt wird, was eine Zerstörung oder eine Verschlechterung erleichtert.
  • Zudem gab es einen Fall, in dem, um Hochfrequenzeigenschaften zu verbessern, ein SiN-Kondensator zwischen eine Gateelektrode und eine Sourceelektrode geschaltet ist. Es war jedoch unmöglich, die Ladungen von in einem Halbleiter erzeugten Elektron-Loch-Paaren über den SiN-Kondensator zu entfernen, da SiN ein Isolator ist.
  • Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die oben beschriebenen Probleme zu lösen, und hat eine Aufgabe, eine Verbundhalbleitervorrichtung zu erhalten, die selbst in einem harten Umfeld, in dem die Verbundhalbleitervorrichtung hochenergetischen Teilchen ausgesetzt ist, schwerlich zerstört und verschlechtert wird.
  • Lösung für das Problem
  • Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs.
  • Vorteilhafte Effekte der Erfindung
  • In der vorliegenden Erfindung erfasst, wenn Elektron-Loch-Paare in der Vorrichtung erzeugt werden, das mit der Gateelektrode verbundene Material mit einem stark korrelierten Elektronensystem eine Potentialfluktuation in der Vorrichtung und macht in kurzer Zeit einen Phasenübergang von einem Isolator zu einem Leiter durch. Die in der Vorrichtung erzeugten Elektron-Loch-Paare gelangen durch das Material mit einem stark korrelierten Elektronensystem, das in ein leitfähiges Material geändert wurde, und fließen zur Masse, so dass die Schädigung an der Vorrichtung reduziert werden kann. Daher wird die Verbundhalbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung selbst in einem harten Umfeld, in dem die Verbundhalbleitervorrichtung hochenergetischen Teilchen ausgesetzt ist, schwerlich zerstört und verschlechtert.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine Querschnittsansicht, die eine Verbundhalbleitervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt.
    • 2 ist eine Draufsicht, die die Verbundhalbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
    • 3 ist ein Schaltungsdiagramm der Verbundhalbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform.
    • 4 ist eine Querschnittsansicht, die das Material mit einem stark korrelierten Elektronensystem gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
    • 5 ist ein Schaltungsdiagramm einer Verbundhalbleitervorrichtung gemäß einer erfindungsgemäßen zweiten Ausführungsform.
  • Beschreibung von Ausführungsformen
  • Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen wird eine Verbundhalbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen beschrieben. Die gleichen Komponenten sind durch die gleichen Symbole bezeichnet, und deren wiederholte Beschreibung wird unterlassen.
  • Erste Ausführungsform
  • 1 ist eine Querschnittsansicht, die eine Verbundhalbleitervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt. Eine GaN-Pufferschicht 2 ist auf einem SiC-Substrat 1 ausgebildet. Auf der GaN-Pufferschicht 2 ist eine AlGaN-Kanalschicht 3 ausgebildet. Eine Gateelektrode 4, eine Sourceelektrode 5 und eine Drainelektrode 6 sind auf der AlGaN-Kanalschicht 3 ausgebildet.
  • Ein erster Passivierungsfilm 7 bedeckt die Gateelektrode 4 und die AlGaN-Kanalschicht 3. Eine Sourcefeldplatte 9 ist auf dem ersten Passivierungsfilm 7 ausgebildet und erstreckt sich von der Sourceelektrode 5 zu einem Raum zwischen der Gateelektrode 4 und der Drainelektrode 6. Die Sourcefeldplatte 9 entspannt das elektrische Feld zwischen der Gateelektrode 4 und der Drainelektrode 6, ermöglicht einen Hochspannungsbetrieb und reduziert ferner eine parasitäre Kapazität, wodurch Hochfrequenzeigenschaften verbessert werden. Um die gesamte Vorrichtung zu schützen, bedeckt ein zweiter Passivierungsfilm 10 den ersten Passivierungsfilm 7 und die Sourcefeldplatte 9.
  • Wenn eine Spannung zwischen der Sourceelektrode 5 und der Drainelektrode 6 angelegt und eine hohe Frequenz in die Gateelektrode 4 eingespeist wird, während eine gewünschte Vorspannung an die Gateelektrode 4 angelegt wird, bewegen sich Elektronen in einem zweidimensionalen Elektronengas 11 mit einer hohen Geschwindigkeit, wodurch die Verbundhalbleitervorrichtung wie ein Verstärker arbeitet, der imstande ist, eine verstärkte Hochfrequenzleistung von der Drainelektrode 6 zu erhalten.
  • 2 ist eine Draufsicht, die die Verbundhalbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform zeigt. 3 ist ein Schaltungsdiagramm der Verbundhalbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform. Ein Material 12 mit einem stark korrelierten Elektronensystem ist zwischen die Gateelektrode 4 und die Sourceelektrode 5 geschaltet. Die Sourceelektrode 5 ist mit der Masse verbunden.
  • Repräsentative Beispiele des Materials 12 mit einem stark korrelierten Elektronensystem sind VO2, SrTiO3, LaVO3, SrO usw., und viele Materialien, die eine starke Korrelation zeigen, wie etwa ein Kupferoxid-Typ, Fe-Typ, Mn-Typ und superleitender Typ, wurden berichtet. Das Material 12 mit einem stark korrelierten Elektronensystem ist ein MOTT-Isolator, der Isolationseigenschaften zeigt, obgleich er mit Elektronen gefüllt ist, da die Elektronen eine übermäßig starke Korrelation aufweisen und sich somit darin nicht frei bewegen. Es ist bekannt, dass, wenn das Material 12 mit einem stark korrelierten Elektronensystem mit einer Spannung, einer Temperatur, Licht oder dergleichen stimuliert wird, es einen Phasenübergang zu einem leitfähigen Material durchmacht. Da das Material 12 mit einem stark korrelierten Elektronensystem mittels eines Verfahrens ausgebildet und prozessiert werden kann, das in einem Halbleiterprozess gewöhnlich genutzt wird, wie etwa ein PLD-Verfahren, kann es einfach in einen bestehenden Halbleiterfertigungsprozess einbezogen werden.
  • Wenn hochenergetische Teilchen auf die Vorrichtung auftreffen, können die hochenergetischen Teilchen durch den zweiten Passivierungsfilm 10, die Sourcefeldplatte 9, den ersten Passivierungsfilm 7, die AlGaN-Kanalschicht 3 und die GaN-Pufferschicht 2 durchgehen und das SiC-Substrat 1 erreichen. Ankommende Teilchen sind schwere Teilchen, Protonen, Elektronen, Neutronen, Myonen usw. und haben eine Energie von etwa 1 keV bis 100 GeV. Eine große Menge Elektron-Loch-Paare wird um eine Trajektorie herum erzeugt, über die hochenergetische Teilchen gelangt sind. In einer herkömmlichen Struktur wird der Halbleiter durch die erzeugten Elektron-Loch-Paare stark beschädigt und im Prozess einer Diffusion, Drift, Rekombination und Vernichtung der erzeugten Elektron-Loch-Paare in der Vorrichtung zerstört oder verschlechtert.
  • In der vorliegenden Ausführungsform erfasst, wenn Elektron-Loch-Paare in der Vorrichtung erzeugt werden, das mit der Gateelektrode 4 verbundene Material 12 mit einem stark korrelierten Elektronensystem eine Potentialfluktuation in der Vorrichtung und macht in einer kurzen Zeit einen Phasenübergang von einem Isolator zu einem Leiter durch. Die in der Vorrichtung erzeugten Elektron-Loch-Paare gehen durch das Material 12 mit einem stark korrelierten Elektronensystem durch, das in ein leitfähiges Material geändert wurde, und fließen zur Masse, so dass die Schädigung an der Vorrichtung reduziert werden kann. Daher wird die Verbundhalbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform selbst in einem harten Umfeld, in dem die Verbundhalbleitervorrichtung hochenergetischen Teilchen ausgesetzt ist, schwerlich zerstört und verschlechtert.
  • 4 ist eine Querschnittsansicht, die das Material mit einem stark korrelierten Elektronensystem gemäß der ersten Ausführungsform zeigt. Eine Basiselektrode 13 ist auf dem SiC-Substrat 1 angeordnet. Die Basiselektrode 13 ist mit der Gateelektrode 4 verbunden. Ein dünner Film des Materials 12 mit einem stark korrelierten Elektronensystem ist auf der Basiselektrode 13 ausgebildet. Eine obere Elektrode 14 ist auf dem Material 12 mit einem stark korrelierten Elektronensystem gebildet. Die obere Elektrode 14 ist mit der Sourceelektrode 5 verbunden. Wie oben beschrieben wurde, kann das Material 12 mit einem stark korrelierten Elektronensystem zwischen die Sourceelektrode 5 und die Drainelektrode 6 mit einer einfachen Struktur ähnlich derjenigen eines Kondensators geschaltet werden. Durch Anordnen des Materials 12 mit einem stark korrelierten Elektronensystem auf dem SiC-Substrat 1 kann überdies eine Miniaturisierung der Vorrichtung realisiert werden. Es ist besonders zu erwähnen, dass die Sourceelektrode 5 und die Drainelektrode 6 mit beiden Enden des Materials 12 mit einem stark korrelierten Elektronensystem jeweils verbunden werden können.
  • erfindungsgemäße zweite Ausführungsform
    5 ist ein Schaltungsdiagramm einer Verbundhalbleitervorrichtung gemäß einer erfindungsgemäßen zweiten Ausführungsform. In der vorliegenden Ausführungsform ist zusätzlich zu der Konfiguration der ersten Ausführungsform ein Material 15 mit einem stark korrelierten Elektronensystem zwischen die Sourceelektrode 5 und die Drainelektrode 6 geschaltet, was den Effekt verstärkt, da die Anzahl von Pfaden, über die Ladungen freigesetzt werden, zunimmt. Es ist besonders zu erwähnen, dass das Material 12 mit einem stark korrelierten Elektronensystem auf der Sourceseite weggelassen werden kann, während nur das Material 15 mit einem stark korrelierten Elektronensystem auf der Drainseite vorgesehen ist, und der gleiche Effekt wie die erste Ausführungsform erhalten werden kann.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    SiC-Substrat;
    2
    GaN-Pufferschicht;
    3
    AlGaN-Kanalschicht;
    4
    Gateelektrode;
    5
    Sourceelektrode;
    6
    Drainelektrode;
    12, 15
    Material mit einem stark korreliertenElektronensystem;
    13
    Basiselektrode;
    14
    obere Elektrode

Claims (1)

  1. Verbundhalbleitervorrichtung, umfassend: ein Substrat (1); eine Halbleiterschicht (2, 3), die auf dem Substrat (1) angeordnet ist; eine Gateelektrode (4), eine Sourceelektrode (5) und eine Drainelektrode (6), die auf der Halbleiterschicht (3) angeordnet sind; und ein Material (15) mit einem stark korrelierten Elektronensystem, das zwischen die Sourceelektrode (5) und die Drainelektrode (6) geschaltet ist und ein MOTT-Isolator ist, der eine Potentialfluktuation in der Verbundhalbleitervorrichtung erfasst und einen Phasenübergang von einem Isolator zu einem Leiter durchmacht, wenn Elektron-Loch-Paare in der Verbundhalbleitervorrichtung, durch die hochenergetische Teilchen durchgegangen sind, erzeugt werden, wobei das Material (12, 15) mit einem stark korrelierten Elektronensystem auf dem Substrat (1) angeordnet ist, und wobei das Material (12, 15) mit einem stark korrelierten Elektronensystem zwischen einer Basiselektrode (13) und einer oberen Elektrode (14) sandwichartig angeordnet ist.
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