JP2003109973A - Semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device

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JP2003109973A
JP2003109973A JP2001303739A JP2001303739A JP2003109973A JP 2003109973 A JP2003109973 A JP 2003109973A JP 2001303739 A JP2001303739 A JP 2001303739A JP 2001303739 A JP2001303739 A JP 2001303739A JP 2003109973 A JP2003109973 A JP 2003109973A
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Yukihiko Maeda
就彦 前田
Naoki Kobayashi
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a heterostructure field-effect transistor which comprises a thin barrier wall and whose high electron concentration is realized without spoiling high electron mobility. SOLUTION: In a GaN channel Layer 202, a region B whose distance Z from an interface with an AlXGa1- XN barrier layer 201 is Z1 to Z1 +dB is doped with an n-type dopant such as silicon or the like. Z1 represents a value larger than the width Z0 (where 30Å<=Z0 <=40Å) of a region in which two-dimensional electrons are gathered. Electrons supplied from the n-type dopant such as the silicon or the like inside the region B are drawn to a heterointerface by a strong channel electric field so as to contribute to conduction as the two-dimensional electrons. Consequently, the electrons are not subjected directly to an impurity ionization scattering operation due to the dopant, and the high electron mobility of the semiconductor device is maintained.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置に関
し、より詳細には、高温・高出力・高耐圧の超高周波化
合物からなる半導体装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device made of an ultrahigh frequency compound having high temperature, high output and high breakdown voltage.

【0002】[0002]

【従来の技術】一般に、化合物半導体を用いたヘテロ構
造電界効果トランジスタ(Heterostructure Field Effe
ct Transistor :HFET)においては、チャネル層の
基板表面側の障壁層にシリコンなどのn型ドーパントを
ドーピングすることにより、トランジスタ動作を担う2
次元電子の供給を行う。このように、チャネル内ではな
く障壁層にドーピングするという変調ドーピングによっ
て、トランジスタ動作に有利な高い電子移動度を得るこ
とができる。
2. Description of the Related Art Generally, a heterostructure field effect transistor (heterostructure field effect transistor) using a compound semiconductor is used.
In ct Transistor (HFET), a transistor operation is performed by doping an n-type dopant such as silicon into the barrier layer on the substrate surface side of the channel layer.
Dimensional electrons are supplied. In this way, the modulation doping in which the barrier layer is doped instead of the inside of the channel makes it possible to obtain a high electron mobility that is advantageous for transistor operation.

【0003】トランジスタ動作の向上には、その障壁層
の厚さを減少させて2次元電子をより表面近傍に存在さ
せることが有効である。現在実用化されている(In)
GaAs系HFETにおいて、チャネルに収容可能な2
次元電子濃度は1×1012cm−2〜3×1012
−2程度である。障壁層の厚さを100〜150Å程
度以下までに減少させても、2×1018cm−3〜1
0×1018cm−3程度の濃度のドーピングを障壁層
に行うことによって2次元電子を供給し、チャネルに収
容可能な最大限の2次元電子濃度を実現することができ
る。
In order to improve the operation of the transistor, it is effective to reduce the thickness of the barrier layer so that the two-dimensional electrons exist closer to the surface. Currently in practical use (In)
In a GaAs HFET, 2 that can be accommodated in the channel
Dimensional electron concentration is 1 × 10 12 cm −2 to 3 × 10 12 c
It is about m −2 . Even if the thickness of the barrier layer is reduced to about 100 to 150Å or less, 2 × 10 18 cm −3 to 1
By doping the barrier layer with a concentration of about 0 × 10 18 cm −3 , two-dimensional electrons can be supplied and the maximum two-dimensional electron concentration that can be accommodated in the channel can be realized.

【0004】一方、窒化物半導体を用いたHFET(G
aN系HFET)においては、チャネル層とチャネル層
の基板表面側の障壁層との間のヘテロ界面に正の分極電
荷が発生する。結果として、1×1013cm−2〜5
×1013cm−2という非常に高い濃度の2次元電子
をチャネルに収容することが可能となる。
On the other hand, HFETs (G
In an aN-based HFET), positive polarization charge is generated at the hetero interface between the channel layer and the barrier layer on the substrate surface side of the channel layer. As a result, 1 × 10 13 cm −2 to 5
It becomes possible to accommodate a two-dimensional electron having a very high concentration of × 10 13 cm −2 in the channel.

【0005】このGaN系HFETが(In)GaAs
系HFETと異なる特徴的な点は、ドーピングを行わな
くても上記の分極電荷が存在する結果、0.5×10
13cm−2〜2×1013cm−2程度の濃度の2次
元電子が発生することである。
This GaN-based HFET is (In) GaAs
The characteristic point that is different from the system HFET is that 0.5 × 10 5 is obtained as a result of the presence of the above-mentioned polarization charge even without doping.
Two-dimensional electrons with a concentration of about 13 cm −2 to 2 × 10 13 cm −2 are generated.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】GaN系HFETにお
いて、チャネルに収容可能な最大限の2次元電子濃度を
実現するためには、障壁層へドーピングを行うことによ
り電子を供給することが必要となる。しかしながら、障
壁層の厚さを150Å以下までに減少させると、本来チ
ャネルに収容可能な2次元電子濃度が非常に高いため
に、障壁層へのドーピングを行って電子を供給しても、
収容最大限の高い電子濃度を実現することはできない。
In the GaN-based HFET, in order to realize the maximum two-dimensional electron concentration that can be accommodated in the channel, it is necessary to dope the barrier layer to supply electrons. . However, if the thickness of the barrier layer is reduced to 150 Å or less, since the two-dimensional electron concentration that can be originally accommodated in the channel is very high, even if the barrier layer is doped to supply electrons,
It is not possible to achieve the maximum electron density that can be accommodated.

【0007】このように、従来のGaN系HFETにお
いては、電子障壁層を薄くした場合、GaN系HFET
が本来持つ高い電子濃度実現に対するポテンシャルを十
分に引き出すことができなくなるという問題があった。
これは、収容最大限の電子濃度が(In)GaAs系H
FETに比べて一桁程度大きいGaN系HFETが、大
電力動作への非常に高いポテンシャルを持っているため
に生じたものである。
As described above, in the conventional GaN-based HFET, when the electron barrier layer is thinned, the GaN-based HFET is
There was a problem that the potential for realizing high electron concentration originally possessed by could not be fully extracted.
This is because the maximum electron concentration that can be accommodated is (In) GaAs-based H
This is because a GaN-based HFET, which is about an order of magnitude larger than an FET, has a very high potential for high power operation.

【0008】本発明は、このような問題に鑑みてなされ
たものであり、その目的とするところは、GaN系HF
ETにおいて、トランジスタ動作に有利な150Å以下
の薄い障壁層を有し、かつ高電子移動度を損なわずに本
来の高い電子濃度を実現可能な半導体装置を提供するこ
とにある。
The present invention has been made in view of the above problems, and its object is to provide a GaN-based HF.
An object of the present invention is to provide a semiconductor device having a thin barrier layer having a thickness of 150 Å or less, which is advantageous for transistor operation, and capable of realizing an original high electron concentration without impairing high electron mobility in ET.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るため、請求項1に記載の発明は、基板上に、窒化物の
チャネル層、および当該チャネル層よりも基板表面側に
位置する第1の障壁層が積層された半導体装置であっ
て、前記チャネル層は、前記第1の障壁層との間の界面
から30Å以上40Å以下の所定の深さまでの範囲内に
位置し、n型ドーパントのドーピング濃度が所定濃度以
下に抑えられた第1の領域と、当該第1の領域よりも反
基板表面側に位置し、前記第1の領域のドーピング濃度
よりも高いドーピング濃度にn型ドーパントがドーピン
グされた第2の領域とを備えることを特徴とする。
In order to achieve such an object, the invention as set forth in claim 1 provides a channel layer of a nitride on a substrate, and a substrate surface side closer to the substrate surface side than the channel layer. In the semiconductor device in which the first barrier layer is stacked, the channel layer is located within a range from an interface between the first barrier layer and the first barrier layer to a predetermined depth of 30 Å or more and 40 Å or less, and an n-type dopant. A first region whose doping concentration is suppressed to a predetermined concentration or less, and an n-type dopant at a doping concentration higher than the doping concentration of the first region, which is located closer to the surface of the substrate than the first region. And a second region that is doped.

【0010】また、請求項2に記載の発明は、請求項1
に記載の半導体装置において、前記第1の領域のドーピ
ング濃度は1×1018cm−3以下であることを特徴
とする。
The invention described in claim 2 is the same as claim 1.
In the semiconductor device described in the paragraph 1, the doping concentration of the first region is 1 × 10 18 cm −3 or less.

【0011】また、請求項3に記載の発明は、請求項1
または2に記載の半導体装置において、前記第2の領域
のドーピング濃度は2×1018cm−3以上であるこ
とを特徴とする。
The invention described in claim 3 is the same as claim 1.
Alternatively, in the semiconductor device described in the paragraph 2, the doping concentration of the second region is 2 × 10 18 cm −3 or more.

【0012】また、請求項4に記載の発明は、請求項1
〜3のいずれかに記載の半導体装置において、前記第1
の領域は、窒化インジウムガリウムからなることを特徴
とする。
The invention according to claim 4 is the same as claim 1.
The semiconductor device according to any one of 1 to 3,
Is characterized by being made of indium gallium nitride.

【0013】また、請求項5に記載の発明は、請求項1
〜3のいずれかに記載の半導体装置において、前記第1
の領域は、窒化アルミニウムガリウムからなることを特
徴とする。
The invention described in claim 5 is the same as claim 1.
The semiconductor device according to any one of 1 to 3,
The region (1) is made of aluminum gallium nitride.

【0014】また、請求項6に記載の発明は、請求項1
〜5のいずれかに記載の半導体装置において、前記チャ
ネル層よりも反基板表面側に位置する第2の障壁層が更
に設けられていることを特徴とする。
The invention described in claim 6 is the same as claim 1.
The semiconductor device according to any one of 1 to 5 is characterized in that a second barrier layer located on the side of the substrate opposite to the channel layer is further provided.

【0015】また、請求項7に記載の発明は、請求項6
に記載の半導体装置において、前記第2の障壁層は、前
記チャネル層よりもバンドギャップが大きいことを特徴
とする。
The invention described in claim 7 is the same as claim 6
In the semiconductor device described in the paragraph 1, the second barrier layer has a band gap larger than that of the channel layer.

【0016】また、請求項8に記載の発明は、請求項6
または7に記載の半導体装置において、前記第2の障壁
層は、前記チャネル層との界面から所定の深さまでの範
囲内に位置する第3の領域と、当該第3の領域よりも反
基板表面側に位置し、n型ドーパントのドーピング濃度
が所定濃度以下に抑えられた第4の領域とを備え、前記
3の領域のn型ドーパントのドーピング濃度は前記第4
の領域のドーピング濃度よりも高いことを特徴とする。
The invention according to claim 8 is the same as claim 6
Alternatively, in the semiconductor device according to the seventh aspect, the second barrier layer may include a third region located within a range from an interface with the channel layer to a predetermined depth, and a surface of the substrate opposite to the third region. And a fourth region located on the side of the third region in which the doping concentration of the n-type dopant is suppressed to a predetermined concentration or less, and the doping concentration of the n-type dopant in the third region is the fourth region.
Is higher than the doping concentration of the region.

【0017】また、請求項9に記載の発明は、請求項8
に記載の半導体装置において、前記第3の領域のドーピ
ング濃度は2×1018cm−3以上であることを特徴
とする。
The invention according to claim 9 is the same as that of claim 8.
In the semiconductor device described in the paragraph 1, the doping concentration of the third region is 2 × 10 18 cm −3 or more.

【0018】更に、請求項10に記載の発明は、請求項
8または9に記載の半導体装置において、前記第4の領
域のドーピング濃度は1×1018cm−3以下である
ことを特徴とする。
Further, the invention according to claim 10 is the semiconductor device according to claim 8 or 9, characterized in that the doping concentration of the fourth region is 1 × 10 18 cm −3 or less. .

【0019】[0019]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照し、本発明の実
施の形態について詳細に説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.

【0020】本発明では、ヘテロ構造電界効果トランジ
スタの2次元電子が走行する領域より反基板表面側に、
2次元電子を避けてドーピングを行うことによってチャ
ネル電子を供給する「選択的バックドーピング」を行う
ことである。「選択的バックドーピング」は、GaN系
HFETのヘテロ界面に存在する特有の大きな分極効果
に由来する(i)小さい2次元電子分布幅と、(ii)基
板垂直方向の強いチャネル電界とを利用する。
In the present invention, the heterostructure field effect transistor is provided on the side opposite to the substrate surface side from the region where the two-dimensional electrons travel.
“Selective back-doping” is performed to supply channel electrons by avoiding two-dimensional electrons. "Selective back-doping" utilizes (i) a small two-dimensional electron distribution width derived from the large polarization effect peculiar to the hetero interface of a GaN-based HFET and (ii) a strong channel electric field in the vertical direction of the substrate. .

【0021】図1は、計算によって求められたAl組成
0.15のAlGaN/GaN HFETにおける2次
元電子分布とチャネル・ポテンシャル形状を示す図であ
る。本図には、GaNチャネルの基板表面側にのみAl
GaN障壁層を持つシングルヘテロ構造を有する電界効
果トランジスタのポテンシャル101、その2次元電子
104、GaNチャネルの反基板表面側にもAlGaN
障壁層を持つダブルヘテロ構造を有する電界効果トラン
ジスタのポテンシャル102、およびその2次元電子1
03がそれぞれ示されている。
FIG. 1 is a diagram showing a two-dimensional electron distribution and a channel potential shape in an AlGaN / GaN HFET having an Al composition of 0.15 calculated. In this figure, Al is formed only on the substrate surface side of the GaN channel.
The potential 101 of the field effect transistor having a single hetero structure having a GaN barrier layer, its two-dimensional electrons 104, and AlGaN also on the side of the GaN channel opposite to the substrate surface.
Potential 102 of a field effect transistor having a double hetero structure having a barrier layer and its two-dimensional electron 1
03 are shown respectively.

【0022】どちらの構造も、2次元電子の分布幅は3
0Å〜40Å程度とGaAs系HFETの3分の1程度
と小さく、チャネル電界(三角ポテンシャルの傾き)は
GaAs系HFETの2〜3倍程度と大きい様子が示さ
れている。この特徴は、AlGaN/GaNヘテロ界面
(AlGaNチャネル層とGaNチャネル層とが形成す
る界面)に1×1013cm−2オーダーの大きな分極
電荷が大きな電界を形成するためにもたらされる特徴で
ある。また、ダブルヘテロ構造においては、2つのヘテ
ロ界面が存在するため、シングルヘテロ構造よりもチャ
ネル電界が更に強くなっている様子が示されている。
In both structures, the distribution width of two-dimensional electrons is 3
It is shown that it is as small as 0Å to 40Å, which is about one-third of that of GaAs-based HFETs, and that the channel electric field (gradient of triangular potential) is as large as 2-3 times that of GaAs-based HFETs. This characteristic is a characteristic that a large polarization charge of the order of 1 × 10 13 cm −2 is generated at the AlGaN / GaN hetero interface (interface formed by the AlGaN channel layer and the GaN channel layer) to form a large electric field. Further, it is shown that the channel electric field is stronger in the double hetero structure than in the single hetero structure because there are two hetero interfaces.

【0023】GaN系HFETにおいては、図1に示す
上記(i)および(ii)の特徴により、2次元電子の存
在する領域よりも反基板表面側にドーピングを行った場
合でも、電子はドーピングを行った領域からヘテロ界面
近傍に移動し、2次元電子として存在することが可能で
ある。本発明では、チャネル層のヘテロ界面近傍30Å
〜40Åの、2次元電子が存在する領域を避けてドーピ
ングを行う。これにより、ドーピングによって発生しう
るイオン化不純物散乱による電子移動度の低下を回避す
ることができる。
In the GaN-based HFET, due to the characteristics (i) and (ii) shown in FIG. 1, even when doping is performed on the side of the substrate opposite to the region where two-dimensional electrons are present, the electrons are doped. It is possible to move to the vicinity of the hetero interface from the region where it was carried out and to exist as a two-dimensional electron. In the present invention, 30 Å near the hetero interface of the channel layer
Doping is performed while avoiding a region of ˜40 Å where two-dimensional electrons exist. This makes it possible to avoid a decrease in electron mobility due to ionized impurity scattering that may occur due to doping.

【0024】(第1実施形態)図2は、本発明を適用し
た半導体装置の一例であるヘテロ構造電界効果トランジ
スタの層構造を示す図である。本図において、ヘテロ構
造電界効果トランジスタには、GaNチャネルの基板表
面側にのみAlGaN障壁層を持つシングルヘテロ構造
が適用される。
(First Embodiment) FIG. 2 is a diagram showing a layer structure of a heterostructure field effect transistor which is an example of a semiconductor device to which the present invention is applied. In this figure, the heterostructure field effect transistor is applied with a single heterostructure having an AlGaN barrier layer only on the substrate surface side of the GaN channel.

【0025】基板204上にはバッファ層203が積層
され、バッファ層203の上には2次元電子が存在する
GaNのチャネル層(GaNチャネル層)202が積層
され、チャネル層よりも基板表面側にはAlGa
1−XN障壁層201が積層されている。ここで、Al
組成Xは、0<X≦1なる任意の値であり、AlGa
−XN障壁層201中必ずしも一定である必要はな
い。
A buffer layer 203 is laminated on the substrate 204, and a GaN channel layer (GaN channel layer) 202 in which two-dimensional electrons are present is laminated on the buffer layer 203, which is closer to the substrate surface than the channel layer. Is Al X Ga
The 1-X N barrier layer 201 is laminated. Where Al
The composition X is an arbitrary value of 0 <X ≦ 1, and is Al X Ga
The 1- XN barrier layer 201 does not necessarily have to be constant.

【0026】基板204には、サファイア、SiC、C
aN、Si、またはGaAsなどが使用される。バッフ
ァ層203には、GaN、AlNまたはAlGaNが使
用される。
On the substrate 204, sapphire, SiC, C
aN, Si, GaAs or the like is used. GaN, AlN, or AlGaN is used for the buffer layer 203.

【0027】AlGa1−XN障壁層201内の層厚
の領域Aにはドーピングが施されている。ここで、
AlGa1−XN障壁層201に関する構造パラメー
タ(すなわち、ショットキーコンタクト層の層厚
SC、領域Aの層厚dおよびドーピング濃度および
スペーサ層の層厚dSP)は任意である。これは、上記
の任意の構造パラメータに対して、本発明による作用が
得られることによる。ただし、本発明の作用が重要にな
るのは、図2において、AlGa1−XN障壁層20
1の厚さdSC+d+dSPが150Å以下である構
造の場合である。かかる構造においては一般に、領域A
から供給可能な電子数がチャネルに収容可能な電子数を
下回る状況が生じるからである。
A region A having a layer thickness d A in the Al X Ga 1-X N barrier layer 201 is doped. here,
The structural parameters (that is, the layer thickness d SC of the Schottky contact layer, the layer thickness d A of the region A and the doping concentration and the layer thickness d SP of the spacer layer) regarding the Al X Ga 1-X N barrier layer 201 are arbitrary. This is because the action according to the present invention can be obtained for any of the above structural parameters. However, the action of the present invention is important in FIG. 2 in which the Al X Ga 1-X N barrier layer 20 is used.
This is the case of the structure in which the thickness d SC + d A + d SP of 1 is 150 Å or less. In such a structure, area A
This is because a situation occurs in which the number of electrons that can be supplied from the device is less than the number of electrons that can be accommodated in the channel.

【0028】AlGa1−XN障壁層201との間の
ヘテロ界面から反基板表面方向を正とした、深さ方向一
次元座標軸(Z軸)を定義する。GaNチャネル層20
2において、ヘテロ界面からZ軸方向への距離ZがZ
以上Z+d以下の範囲に位置する領域Bには、シリ
コンなどのn型ドーパントがドーピングされている。こ
こで、Zは2次元電子が集まる領域の幅Z(30Å
≦Z≦40Å)より大きい値である。
A depth-direction one-dimensional coordinate axis (Z axis) is defined with the anti-substrate surface direction being positive from the hetero interface between the Al X Ga 1 -X N barrier layer 201. GaN channel layer 20
2, the distance Z from the hetero interface in the Z-axis direction is Z 1
The region B located in the range of Z 1 + d B or less is doped with an n-type dopant such as silicon. Here, Z 1 is the width Z 0 (30 Å) of the region where the two-dimensional electrons gather.
≦ Z 0 ≦ 40 Å).

【0029】また、領域Bの層厚dは0Å<d≦2
000Åなる条件を満たしている。これは、領域Bの層
厚が2000Åを越えると、領域Bに電子が存在するよ
うになる結果、領域Bが2次元電子の供給源として機能
しなくなるため、本発明においてd>2000Åは不
要であることによる。
The layer thickness d B of the region B is 0Å <d B ≦ 2
The condition of 000Å is met. This is because when the layer thickness of the region B exceeds 2000 Å, electrons are present in the region B, and as a result, the region B does not function as a two-dimensional electron supply source, so that d B > 2000 Å is unnecessary in the present invention. Depends on.

【0030】このように、GaNチャネル層202の一
部である領域Bにドーピングを行っている点が、本実施
形態にかかるヘテロ構造電界効果トランジスタの大きな
特徴である。
As described above, the fact that the region B which is a part of the GaN channel layer 202 is doped is a major feature of the heterostructure field effect transistor according to the present embodiment.

【0031】図3は、本実施形態にかかるヘテロ構造電
界効果トランジスタがAlGaN/GaN HFETで
ある場合のチャネル・ポテンシャル構造を示す図であ
る。本図において、縦軸はポテンシャル(単位:eV)
を示す。領域Bのシリコンなどのn型ドーパントから供
給される電子は、領域Bに存在して伝導に寄与するので
はなく、強いチャネル電界によりヘテロ界面に引き寄せ
られて矢印302が示す方向に移動し、2次元電子30
3として伝導に寄与する。したがって、電子はドーパン
トによる不純物イオン化散乱を直接的に受けることがな
く、高電子移動度が保たれる。
FIG. 3 is a diagram showing a channel potential structure when the heterostructure field effect transistor according to this embodiment is an AlGaN / GaN HFET. In this figure, the vertical axis is the potential (unit: eV)
Indicates. The electrons supplied from the n-type dopant such as silicon in the region B do not exist in the region B and contribute to conduction, but are attracted to the hetero interface by the strong channel electric field and move in the direction indicated by the arrow 302. Dimensional electron 30
3 contributes to conduction. Therefore, the electrons are not directly subjected to the impurity ionization scattering due to the dopant, and the high electron mobility is maintained.

【0032】なお、2次元電子の存在する0≦Z<Z
を満たす領域は、ドーピング濃度が所定濃度以下に抑え
られていれば本発明の作用を得ることが可能である。即
ち、この領域にドーピングが行われても、ドーピング濃
度が1×1018cm−3以下の低濃度であれば、10
00cm/Vs以上の高電子移動度が保たれる。ま
た、領域Bのドーピング濃度を2×1018cm−3
上の高濃度にすることにより、2次元電子濃度を1×1
13cm−2以上増加させることが可能である。更
に、領域Aがドーピングされているか否かにかかわら
ず、本発明の作用を得ることが可能である。
Note that 0 ≦ Z <Z 0 where two-dimensional electrons exist
If the doping concentration is suppressed to be equal to or lower than the predetermined concentration, the region satisfying the condition can obtain the action of the present invention. That is, even if doping is performed in this region, if the doping concentration is a low concentration of 1 × 10 18 cm −3 or less, 10
High electron mobility of 00 cm 2 / Vs or higher is maintained. In addition, the two-dimensional electron concentration is set to 1 × 1 by increasing the doping concentration of the region B to 2 × 10 18 cm −3 or higher.
It is possible to increase it by 0 13 cm −2 or more. Further, the effect of the present invention can be obtained regardless of whether the region A is doped or not.

【0033】このように、本実施形態にかかるヘテロ構
造電界効果トランジスタにより、トランジスタ動作に有
利な150Å以下の薄い障壁層(AlGaNチャネル
層)を有し、かつ、本来実現可能な高い電子濃度を、高
電子移動度を損ねることなく実現することが可能とな
る。
As described above, the heterostructure field effect transistor according to the present embodiment has a thin barrier layer (AlGaN channel layer) of 150 Å or less, which is advantageous for transistor operation, and has a high electron concentration that is originally attainable. It can be realized without impairing the high electron mobility.

【0034】(第2実施形態)本実施形態では、第1実
施形態で示した構造において、AlGa1−XN障壁
層直下の、GaNチャネル層202内の2次元電子が走
る領域(すなわち0≦Z≦Zの領域)の一部またはす
べてを、InGa1−YN層(0≦Y≦1)とする。
このような構造においても、図3に示すポテンシャル構
造が実現され、本発明の作用が得られる。
(Second Embodiment) In the present embodiment, in the structure shown in the first embodiment, a region in which two-dimensional electrons run in the GaN channel layer 202 immediately below the Al X Ga 1-X N barrier layer (that is, A part or the whole of 0 ≦ Z ≦ Z 0 ) is an In Y Ga 1-YN layer (0 ≦ Y ≦ 1).
Even in such a structure, the potential structure shown in FIG. 3 is realized, and the effect of the present invention is obtained.

【0035】(第3実施形態)本実施形態では、第1実
施形態で示した構造において、AlGa1−XN障壁
層直下の、GaNチャネル層の2次元電子が走る領域
(すなわち0≦Z≦Zの領域)の一部またはすべて
を、AlGa1−YN層(0≦Y≦1,Y<X)とす
る。このような構造においても、図3に示すポテンシャ
ル構造が実現され、本発明の作用が得られる。
(Third Embodiment) In the present embodiment, in the structure shown in the first embodiment, a region in which two-dimensional electrons of the GaN channel layer run immediately below the Al X Ga 1-X N barrier layer (that is, 0 ≦). Part or all of Z ≦ Z 0 ) is defined as an Al Y Ga 1-YN layer (0 ≦ Y ≦ 1, Y <X). Even in such a structure, the potential structure shown in FIG. 3 is realized, and the effect of the present invention is obtained.

【0036】(第4実施形態)図4は、本発明を適用し
た半導体装置の一例であるヘテロ構造電界効果トランジ
スタの層構造を示す図である。本図において、ヘテロ構
造電界効果トランジスタには、GaNチャネル層の反基
板表面側にも、GaNチャネル層よりバンドギャップが
大きいAlGaN障壁層を持つダブルヘテロ構造が用い
られている。
(Fourth Embodiment) FIG. 4 is a diagram showing a layer structure of a heterostructure field effect transistor which is an example of a semiconductor device to which the present invention is applied. In this figure, the heterostructure field effect transistor uses a double heterostructure having an AlGaN barrier layer having a larger bandgap than the GaN channel layer on the side of the GaN channel layer opposite to the substrate surface.

【0037】基板406上にはバッファ層405が積層
され、バッファ層405の上にはAlX3Ga1−X3
N障壁層404が積層され、AlX3Ga1−X3N障
壁層404の上にはAlX2Ga1−X2N障壁層40
3が積層され、AlX2Ga 1−X2N障壁層403の
上には2次元電子が存在するGaNのチャネル層(Ga
Nチャネル層)402が積層され、GaNチャネル層4
02の上にはAlX1Ga1−X1N障壁層401が積
層されている。ここで、Al組成X1は0<X1≦1な
る任意の値、Al組成X2は0<X≦1なる任意の値、
Al組成X3は0≦X3≦1なる任意の値である。これ
らの値は必ずしも一定である必要はない。
A buffer layer 405 is laminated on the substrate 406.
On the buffer layer 405.X3Ga1-X3
An N barrier layer 404 is stacked to form AlX3Ga1-X3N obstacle
Al on the wall layer 404X2Ga1-X2N barrier layer 40
3 are stacked, AlX2Ga 1-X2Of the N barrier layer 403
A GaN channel layer (Ga) on which two-dimensional electrons exist
N channel layer) 402 is laminated to form the GaN channel layer 4
Al on 02X1Ga1-X1N barrier layer 401
Layered. Here, the Al composition X1 is 0 <X1 ≦ 1.
The Al composition X2 is 0 <X ≦ 1.
The Al composition X3 is an arbitrary value satisfying 0 ≦ X3 ≦ 1. this
These values do not necessarily have to be constant.

【0038】基板406には、サファイア、SiC、C
aN、Si、またはGaAsなどが使用される。バッフ
ァ層405には、GaN、AlNまたはAlGaNが使
用される。
On the substrate 406, sapphire, SiC, C
aN, Si, GaAs or the like is used. GaN, AlN, or AlGaN is used for the buffer layer 405.

【0039】AlX1Ga1−X1N障壁層401内の
層厚dの領域Aにはドーピングが施されている。ここ
で、AlX1Ga1−X1N障壁層401に関する構造
パラメータ(ショットキーコンタクト層の層厚dSC
領域Aの層厚dおよびドーピング濃度、スペーサ層の
層厚dSP)は任意である。これは、上記の任意の構造
パラメータに対して、本発明による作用が得られること
による。ただし、本発明の作用が特に重要になるのは、
図4において、AlX1Ga1−X1N障壁層401の
厚さdSC+d+dSPが150Å以下である構造の
場合である。かかる構造においては一般に、領域Aから
供給可能な電子数がチャネルに収容可能な電子数を下回
る状況が生じるからである。
A region A having a layer thickness d A in the Al X1 Ga 1 -X1 N barrier layer 401 is doped. Here, the structural parameters regarding the Al X1 Ga 1 -X1 N barrier layer 401 (layer thickness d SC of the Schottky contact layer,
The layer thickness d A of the region A, the doping concentration, and the spacer layer layer thickness d SP ) are arbitrary. This is because the action according to the present invention can be obtained for any of the above structural parameters. However, the action of the present invention is particularly important,
In FIG. 4, the structure is such that the thickness d SC + d A + d SP of the Al X1 Ga 1 -X1 N barrier layer 401 is 150 Å or less. This is because in such a structure, the number of electrons that can be supplied from the region A generally falls below the number of electrons that can be accommodated in the channel.

【0040】AlGa1−X1N障壁層401とGa
Nチャネル層402との間のヘテロ界面から反基板表面
方向を正とした、深さ方向一次元座標軸(Z軸)を定義
する。GaNチャネル層402において、AlGa
1−XN障壁層401との間の界面からZ軸方向へ向か
う距離ZがZ以上Z+d以下の範囲にある領域B
には、シリコンなどのn型ドーパントがドーピングされ
ている。ここで、Zは2次元電子が集まる領域の幅Z
(30Å≦Z≦40Å)より大きい値である。
Al X Ga 1-X1 N barrier layer 401 and Ga
A depth direction one-dimensional coordinate axis (Z axis) is defined with the anti-substrate surface direction being positive from the hetero interface with the N channel layer 402. In the GaN channel layer 402, Al X Ga
Region B in which the distance Z from the interface with the 1-X N barrier layer 401 in the Z-axis direction is in the range of Z 1 or more and Z 1 + d B or less.
Is doped with an n-type dopant such as silicon. Here, Z 1 is the width Z of the region where the two-dimensional electrons gather.
It is a value larger than 0 (30Å ≦ Z 0 ≦ 40Å).

【0041】また、領域Bの層厚dは0<d≦20
00Åなる条件を満たしている。これは、領域Bの層厚
が2000Åを越えると領域Bに電子が存在するように
なる結果、領域Bが2次元電子の供給源として機能しな
くなるため、本発明においてd>2000Åは不要で
あることによる。
The layer thickness d B of the region B is 0 <d B ≦ 20.
The condition of 00Å is satisfied. This is because when the layer thickness of the region B exceeds 2000 Å, electrons are present in the region B, and as a result, the region B does not function as a two-dimensional electron supply source, so that d B > 2000 Å is unnecessary in the present invention. It depends.

【0042】なお、本図においては、領域BがGaNチ
ャネル層402と反基板表面側のAlX2Ga1−X2
N障壁層403の両領域にわたっている最も一般的な状
況が描かれているが、領域Bは、GaNチャネル層40
2のみでも反基板表面側Al X2Ga1−X2N障壁層
403のみでも本発明の作用を得ることが可能であり、
かかる構造も本発明の範囲内に含まれる。
In this figure, the region B is a GaN layer.
The channel layer 402 and Al on the surface opposite to the substrateX2Ga1-X2
The most common condition over both regions of N barrier layer 403
The region B is the GaN channel layer 40.
2 only Al on the opposite side of the substrate X2Ga1-X2N barrier layer
It is possible to obtain the action of the present invention with only 403,
Such structures are also included within the scope of the invention.

【0043】図5は、本実施形態にかかるヘテロ構造電
界効果トランジスタがAlGaN/GaN HFETで
ある場合のチャネル・ポテンシャル構造を示す図であ
る。本図において、縦軸はポテンシャル(単位:eV)
を示す。ダブルヘテロ構造では、反基板表面側のAl
X2Ga1−X2N障壁層403の存在によりチャネル
電界が強化されるため、AlX2Ga1−X2N障壁層
が存在しない上記図2の構造よりも、領域Bでの電子蓄
積・伝導がより起こりにくくなる。したがって、領域B
へより高濃度のドーピングをすることが可能となり、チ
ャネルへの電子供給能力を高めることができる。
FIG. 5 is a diagram showing a channel potential structure when the heterostructure field effect transistor according to this embodiment is an AlGaN / GaN HFET. In this figure, the vertical axis is the potential (unit: eV)
Indicates. In the double hetero structure, Al on the surface opposite to the substrate side
X2 for channel field due to the presence of Ga 1-X2 N barrier layer 403 is enhanced, than the structure of the Al X2 Ga 1-X2 N barrier layer is not present FIG 2, more electron accumulation and conduction in the region B Less likely to happen. Therefore, area B
It becomes possible to perform higher concentration doping, and it is possible to enhance the electron supply capability to the channel.

【0044】領域Bのシリコンなどのn型ドーパントか
ら供給される電子は、領域Bに存在して伝導に寄与する
のではなく、強いチャネル電界によりヘテロ界面に引き
寄せられて矢印502が示す方向へ移動し、2次元電子
503として伝導に寄与する。したがって、電子は、ド
ーパントによる不純物イオン化散乱を直接的に受けるこ
とがなく、高電子移動度が保たれる。
The electrons supplied from the n-type dopant such as silicon in the region B do not exist in the region B and contribute to conduction, but are attracted to the hetero interface by the strong channel electric field and move in the direction indicated by the arrow 502. And contributes to conduction as the two-dimensional electrons 503. Therefore, the electrons are not directly subjected to the impurity ionization scattering by the dopant, and the high electron mobility is maintained.

【0045】なお、2次元電子の存在する0≦Z<Z
を満たす領域は、ドーピング濃度が所定濃度以下に抑え
られていれば本発明の作用を得ることが可能である。即
ち、ドーピングが行われても、ドーピング濃度が1×1
18cm−3以下の低濃度であれば、1000cm
/Vs以上の高電子移動度が保たれる。また、領域Bの
ドーピング濃度を2×1018cm−3以上の高濃度に
することにより、2次元電子濃度を1×1013cm
−2以上増加させることが可能である。更に、領域Aが
ドーピングされているか否かにかかわらず、本発明の作
用を得ることが可能である。
Note that 0 ≦ Z <Z 0 where two-dimensional electrons exist
If the doping concentration is suppressed to be equal to or lower than the predetermined concentration, the region satisfying the condition can obtain the action of the present invention. That is, even if doping is performed, the doping concentration is 1 × 1.
At a low concentration of 0 18 cm −3 or less, 1000 cm 2
High electron mobility of / Vs or higher is maintained. Further, the two-dimensional electron concentration is set to 1 × 10 13 cm by increasing the doping concentration of the region B to 2 × 10 18 cm −3 or higher.
-It can be increased by -2 or more. Further, the effect of the present invention can be obtained regardless of whether the region A is doped or not.

【0046】このような構造により、トランジスタ動作
に有利な150Å以下の薄い障壁層(AlGaNチャネ
ル層)を有し、かつ、本来実現可能な高い電子濃度を、
高電子移動度を損ねることなく実現することが可能とな
る。
With such a structure, a thin barrier layer (AlGaN channel layer) having a thickness of 150 Å or less, which is advantageous for transistor operation, is provided, and a high electron concentration which is originally attainable is obtained.
It can be realized without impairing the high electron mobility.

【0047】(第5実施形態)本実施形態では、第4実
施形態の構造において、基板表面側AlX1Ga1−
X1N障壁層401と反基板表面側AlX2Ga
1−X2N障壁層403との間のGaNチャネル層40
2の一部またはすべてを、InGa1−YN層(0≦
Y≦1)とする。このような構造においても、図5に示
されるポテンシャル構造が実現され、本発明の作用が得
られる。
(Fifth Embodiment) In this embodiment, in the structure of the fourth embodiment, the substrate surface side Al X1 Ga 1-
The X1 N barrier layer 401 and the anti-substrate surface side Al X2 Ga
GaN channel layer 40 between 1-X2 N barrier layer 403
2 of part or all, In Y Ga 1-Y N layers (0 ≦
Y ≦ 1). Even in such a structure, the potential structure shown in FIG. 5 is realized, and the effect of the present invention is obtained.

【0048】(第6実施形態)本実施形態では、第4実
施形態の構造において、基板表面側AlX1Ga1−
X1N障壁層401と反基板表面側AlX2Ga
1−X2N障壁層403との間のGaNチャネル層40
2の一部またはすべてを、AlGa1−YN層(0≦
Y≦1,Y<X1,Y<X2)とする。このような構造
においても、図5に示すポテンシャル構造が実現され、
本発明の作用が得られる。
(Sixth Embodiment) In the present embodiment, in the structure of the fourth embodiment, the substrate surface side Al X1 Ga 1-
The X1 N barrier layer 401 and the anti-substrate surface side Al X2 Ga
GaN channel layer 40 between 1-X2 N barrier layer 403
A part or all of 2 is an Al Y Ga 1-YN layer (0 ≦
Y ≦ 1, Y <X1, Y <X2). Even in such a structure, the potential structure shown in FIG. 5 is realized,
The effect of the present invention can be obtained.

【0049】[0049]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
GaN系HFETにおいて、トランジスタ動作に有利な
150Å以下の薄い障壁層を有し、かつ、本来実現可能
な高い電子濃度を、高電子移動度を損ねることなく実現
することが可能となる。
As described above, according to the present invention,
In a GaN-based HFET, a thin barrier layer having a thickness of 150 Å or less, which is advantageous for transistor operation, can be provided, and an originally achievable high electron concentration can be realized without impairing high electron mobility.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】Al0.15GaN/GaNの2次元電子分布
とチャネル・ポテンシャルを示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing a two-dimensional electron distribution and a channel potential of Al 0.15 GaN / GaN.

【図2】本発明の一実施形態によるシングルヘテロ構造
電界効果トランジスタの層構造を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing a layer structure of a single hetero structure field effect transistor according to an embodiment of the present invention.

【図3】本発明の一実施形態によるシングルヘテロ構造
電界効果トランジスタのチャネル・ポテンシャルを示す
図である。
FIG. 3 is a diagram showing a channel potential of a single hetero structure field effect transistor according to an embodiment of the present invention.

【図4】本発明の一実施形態によるダブルヘテロ構造電
界効果トランジスタの層構造を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing a layer structure of a double hetero structure field effect transistor according to an embodiment of the present invention.

【図5】本発明の一実施形態によるダブルヘテロ構造電
界効果トランジスタのチャネル・ポテンシャルを示す図
である。
FIG. 5 is a diagram showing a channel potential of a double hetero structure field effect transistor according to an embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

101、102 ポテンシャル 103、104 2次元電子 201 障壁層 202 チャネル層 203 バッファ層 204 基板 301 障壁層 302 矢印 303 2次元電子 401 障壁層 402 チャネル層 403 障壁層 405 バッファ層 406 基板 502 矢印 503 2次元電子 A、B 領域 d、d、dSC、dSP 層厚101, 102 potentials 103, 104 two-dimensional electrons 201 barrier layer 202 channel layer 203 buffer layer 204 substrate 301 barrier layer 302 arrow 303 two-dimensional electron 401 barrier layer 402 channel layer 403 barrier layer 405 buffer layer 406 substrate 502 arrow 503 two-dimensional electron A, B area d A , d B , d SC , d SP layer thickness

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5F102 GB01 GC01 GD01 GJ02 GJ04 GJ05 GJ10 GK04 GL04 GL08 GL14 GL15 GM04 GM08 GM09 GM10 GQ01 GQ03 GQ06    ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    F-term (reference) 5F102 GB01 GC01 GD01 GJ02 GJ04                       GJ05 GJ10 GK04 GL04 GL08                       GL14 GL15 GM04 GM08 GM09                       GM10 GQ01 GQ03 GQ06

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 基板上に、窒化物のチャネル層、および
当該チャネル層よりも基板表面側に位置する第1の障壁
層が積層された半導体装置であって、前記チャネル層
は、 前記第1の障壁層との間の界面から30Å以上40Å以
下の所定の深さまでの範囲内に位置し、n型ドーパント
のドーピング濃度が所定濃度以下に抑えられた第1の領
域と、 当該第1の領域よりも反基板表面側に位置し、前記第1
の領域のドーピング濃度よりも高いドーピング濃度にn
型ドーパントがドーピングされた第2の領域とを備える
ことを特徴とする半導体装置。
1. A semiconductor device in which a nitride channel layer and a first barrier layer located on the substrate surface side of the channel layer are stacked on a substrate, wherein the channel layer is the first barrier layer. A first region located within a predetermined depth of 30 Å or more and 40 Å or less from the interface with the barrier layer and having an n-type dopant doping concentration suppressed to a predetermined concentration or less, and the first region. Located on the opposite side of the substrate from the first substrate,
N higher than the doping concentration of the region
And a second region doped with a type dopant.
【請求項2】 請求項1に記載の半導体装置において、
前記第1の領域のドーピング濃度は1×1018cm
−3以下であることを特徴とする半導体装置。
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein
The doping concentration of the first region is 1 × 10 18 cm
-3 or less, The semiconductor device characterized by the above-mentioned.
【請求項3】 請求項1または2に記載の半導体装置に
おいて、前記第2の領域のドーピング濃度は2×10
18cm−3以上であることを特徴とする半導体装置。
3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the doping concentration of the second region is 2 × 10 5.
A semiconductor device having a size of 18 cm −3 or more.
【請求項4】 請求項1〜3のいずれかに記載の半導体
装置において、前記第1の領域は、窒化インジウムガリ
ウムからなることを特徴とする半導体装置。
4. The semiconductor device according to claim 1, wherein the first region is made of indium gallium nitride.
【請求項5】 請求項1〜3のいずれかに記載の半導体
装置において、前記第1の領域は、窒化アルミニウムガ
リウムからなることを特徴とする半導体装置。
5. The semiconductor device according to claim 1, wherein the first region is made of aluminum gallium nitride.
【請求項6】 請求項1〜5のいずれかに記載の半導体
装置において、前記チャネル層よりも反基板表面側に位
置する第2の障壁層が更に設けられていることを特徴と
する半導体装置。
6. The semiconductor device according to claim 1, further comprising a second barrier layer located on the side of the substrate opposite to the channel layer. .
【請求項7】 請求項6に記載の半導体装置において、
前記第2の障壁層は、前記チャネル層よりもバンドギャ
ップが大きいことを特徴とする半導体装置。
7. The semiconductor device according to claim 6,
The semiconductor device, wherein the second barrier layer has a bandgap larger than that of the channel layer.
【請求項8】 請求項6または7に記載の半導体装置に
おいて、前記第2の障壁層は、 前記チャネル層との界面から所定の深さまでの範囲内に
位置する第3の領域と、 当該第3の領域よりも反基板表面側に位置し、n型ドー
パントのドーピング濃度が所定濃度以下に抑えられた第
4の領域とを備え、前記3の領域のn型ドーパントのド
ーピング濃度は前記第4の領域のドーピング濃度よりも
高いことを特徴とする半導体装置。
8. The semiconductor device according to claim 6, wherein the second barrier layer has a third region located within a range from an interface with the channel layer to a predetermined depth, and And a fourth region which is located on the side opposite to the substrate surface side of the third region and in which the doping concentration of the n-type dopant is suppressed to a predetermined concentration or less, and the doping concentration of the n-type dopant in the third region is the fourth region. The semiconductor device is characterized in that the doping concentration is higher than the region.
【請求項9】 請求項8に記載の半導体装置において、
前記第3の領域のドーピング濃度は2×1018cm
−3以上であることを特徴とする半導体装置。
9. The semiconductor device according to claim 8, wherein
The doping concentration of the third region is 2 × 10 18 cm
-3 or more, The semiconductor device characterized by the above-mentioned.
【請求項10】 請求項8または9に記載の半導体装置
において、前記第4の領域のドーピング濃度は1×10
18cm−3以下であることを特徴とする半導体装置。
10. The semiconductor device according to claim 8, wherein the doping concentration of the fourth region is 1 × 10.
A semiconductor device having a size of 18 cm −3 or less.
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