JP2004327766A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、携帯電話に代表される高周波通信機器に使用される半導体装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年の携帯電話に代表される移動体通信機器においては、GaAs系電界効果型トランジスタあるいはヘテロ接合バイポーラトランジスタが使用されており、揺るぎ無い地位を占めるに至っている。しかしながら、新材料による高性能化開発も精力的に推進されている。その中で、GaNに代表される窒化物系III−V族化合物半導体すなわち一般式がAlxGa1−x−yInyN(0≦x≦1、0≦y≦1)で表されるIII族窒化物半導体は、GaAs系に比較して10倍のシートキャリア濃度を実現でき、かつ、高い絶縁破壊電圧を有するため、次世代の化合物半導体材料として極めて注目されている。
【0003】
III族窒化物半導体装置で特に注目されるのは、AlGaN/GaNヘテロ接合を用いたMODFET(Modulation Doped Field Effect Transistor)である。GaAs系MODFETとの最大の違いは、ショットキー層であるAlGaN層に不純物をドーピングすることなくGaAs系MODFETの10倍ものシートキャリア濃度を実現できる点である。AlGaN/GaN間のストレスによってAlGaNにピエゾ効果による分極が発生し、その結果、AlGaN/GaN界面に二次元電子が蓄積されることが、キャリア発生の機構である。
【0004】
そのためストレスは非常に重要なパラメータであり、AlGaN/GaN間のストレスと誘起されるシートキャリア濃度は精力的に研究されている。例えば、非特許文献1において、二次元電子ガスのシートキャリア濃度をストレスから定量的に計算している。図9に従来のAlGaN/GaN MODFETの実施例を示す。この図面には、上面からの見取り図とMODFETの断面図が示されている。101はInGaN層、102はAlGaN層であって、InGaN/AlGaN間に2次元電子ガスが蓄積する。103はゲート電極、104はオーミック電極である。
【0005】
【非特許文献1】
O.Ambacher et. al.;Journal of Applied Physics, Vol 85, No.(1999)p.3222−p.3233.
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
窒化物系電界効果型トランジスタのキャリア蓄積の機構を鑑みると、ゲート電極周辺のストレスは非常に重要である。にもかかわらず、従来技術においては、InGaN/AlGaN間のストレスについて検討がなされているのみで、ゲート電極およびオーミック電極周辺に発生するストレスに関しては全く注意を払われてこなかった。そのため、MODFETの特性予測には誤差が発生しており、さらに、特性がばらつくといった課題があった。
【0007】
上記課題に鑑み、本発明は、ゲート電極およびオーミック電極のストレスを考慮して、その電界効果型トランジスタの閾値特性を正確に制御できる構造を提供することを目的とするものである。
【0008】
なお、本発明者らは、窒化物系電界効果型トランジスタにおいて、本発明で議論されるゲート電極の方位に関する優位性をはじめて明らかにした。それにより本発明に至ったものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の半導体装置は、基板上に形成されたIII族窒化物半導体層よりなり、かつゲート電極およびオーミック電極が形成されている電界効果トランジスタであって、前記ゲート電極の長手方向が特定の方向に形成されているものである。
【0010】
この構成により、ゲート電極の長手方向が特定の方向に形成されているので、ゲート電極のストレスによるピエゾ電荷の発生を制御することができる。
【0011】
本発明の半導体装置は、さらに前記特定の方向が、[11−20]方向、[2−1−10]方向または[−12−10]方向のいずれかであることが好ましい。この好ましい構成によれば、ゲート電極のストレスによるピエゾ電荷の発生が少ないことから温度特性を鈍感にすることができる。
【0012】
なお、ここで例えば[11−20]について−2の“マイナス”は、“バー”の意味である。これについては他の方向についても同様である。
【0013】
本発明の半導体装置は、さらに前記特定の方向が、[01−10]方向、[10−10]方向または[1−100]方向のいずれかであることが好ましい。この好ましい構成によれば、ゲート電極のストレスによるピエゾ電荷の発生が多いことから閾値電圧が温度に敏感にすることができる。
【0014】
本発明の半導体装置は、基板上に形成されたIII族窒化物半導体よりなり、かつゲート電極およびオーミック電極が形成されている電界効果トランジスタを複数個有し、そのうち前記ゲート電極の長手方向が[11−20]方向、[2−1−10]方向または[−12−10]方向のいずれかである電界効果型トランジスタと、前記ゲート電極の長手方向が[01−10]方向、[10−10]方向または[1−100]方向のいずれかである電界効果型トランジスタとが含まれるものである。
【0015】
この構成により、ゲート電極のストレスによるピエゾ電荷の発生が多いゲート方位と少ない方位が混在するので、温度特性の異なるトランジスタを組み合わせることにより、回路設計に大きな自由度を与えることができる。
【0016】
本発明の半導体装置は、基板上に形成された第1および第2のIII族窒化物半導体層よりなり、ゲート電極が前記第1のIII族窒化物半導体層上に形成され、オーミック電極が前記第2のIII族窒化物半導体層上に形成された電界効果トランジスタであって、前記ゲート電極の長手方向が特定の方向に形成されているものである。
【0017】
この構成により、ゲート電極の長手方向が特定の方向に形成されているので、ゲート電極のストレスによるピエゾ電荷の発生を制御して温度特性を制御できるとともに、第2のIII族窒化物半導体層のストレスによりその制御性をより一層向上させることができる。
【0018】
本発明の半導体装置は、さらに前記特定の方向が、[11−20]方向、[2−1−10]方向または[−12−10]方向のいずれかであることが好ましい。この好ましい構成によれば、ゲート電極のストレスによるピエゾ電荷の発生が少ないことから温度特性を鈍感にすることができる。
【0019】
本発明の半導体装置は、さらに前記特定の方向が、[01−10]方向、[10−10]方向または[1−100]方向のいずれかであることが好ましい。この好ましい構成によれば、ゲート電極のストレスによるピエゾ電荷の発生が多いことから閾値電圧が温度に敏感にすることができる。
【0020】
本発明の半導体装置は、基板上に形成された第1および第2のIII族窒化物半導体層よりなり、ゲート電極が前記第1のIII族窒化物半導体層上に形成され、オーミック電極が前記第2のIII族窒化物半導体層上に形成された電界効果トランジスタを複数個有し、そのうち前記ゲート電極の長手方向が[11−20]方向、[2−1−10]方向または[−12−10]方向のいずれかである電界効果型トランジスタと、前記ゲート電極の長手方向が[01−10]方向、[10−10]方向または[1−100]方向のいずれかである電界効果型トランジスタとが含まれるものである。
【0021】
この構成により、ゲート電極のストレスによるピエゾ電荷の発生が多いゲート方位と少ない方位が混在するので、温度特性の異なるトランジスタを組み合わせることにより、回路設計に大きな自由度を与えることができる。さらに、第2のIII族窒化物半導体層のストレスにより第2のIII族窒化物半導体層のストレスによりピエゾ電荷の制御性をより一層向上させることができる。
【0022】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、図面を用いて以下に説明する。
【0023】
SiC基板の上にAlN層、GaN層およびAlGaN層が順次形成されてなる電界効果型トランジスタのゲート電極の長手方向を特定の方向に向ける構成にする。ゲート電極の長手方向と閾値電圧の関係を本発明者が初めて測定した結果、得られたグラフを図7に示す。閾値電圧はゲート方位依存性を示しており、[10−10]方向で最も深い閾値電圧となることがわかる。
【0024】
さらに上記電界効果トランジスタについて閾値電圧の基板温度依存性を図8に示す。温度係数もまたゲート方向依存性を有することがわかる。これにより、ゲート電極あるいはオーミック電極周辺に発生するピエゾ電荷の電荷量を一定にすることにより、電界効果型トランジスタの閾値特性を揃えることが可能となる。
【0025】
また、ゲート電極周辺およびオーミック電極周辺のストレスを可変させることによって、閾値電圧を制御することが可能となる。
【0026】
なお、本実験について、基板として4H−SiCを用いて検討を行ったが、6H−SiC基板やサファイア基板等、他の基板についても同様な効果が得られる。
【0027】
また、電界効果トランジスタを構成するIII族窒化物半導体層の組み合わせは、InGaN層/AlGaN層に限らず、他の組み合わせでも同様な効果が得られる。
【0028】
上記特性を有する半導体装置について、以下の実施形態にて説明する。
【0029】
以下の実施形態において、基板としては、4H−SiC基板、6H−SiC基板、サファイア基板等を用いることができる。
【0030】
(第1の実施形態)
第1の実施形態に係る半導体装置は、基板上にInGaN(混晶比0%〜100%)とAlGaN(混晶比0%〜100%)が順次形成されており、ゲート電極およびオーミック電極が形成されている電界効果型半導体装置であって、前記ゲート電極の長手方向が[11−20]方向あるいは[2−1−10]あるいは[−12−10]方向のいずれかであるものであり、ゲート電極のストレスによるピエゾ電荷の発生が少ないことから温度特性を鈍感にすることができる。
【0031】
この半導体装置について、上面図および断面構造図を具体的に図1に示す。図1において、101はInGaN層(混晶比0%〜100%)であり2次元電子ガスが走行する。102はAlGaN層でありショットキー層として機能する。103はゲート電極であり例えばPdSi/Auが使用される。104はオーミック電極であり例えばTi/Alが使用される。105はゲート電極であり、長手方向が[11−20]方向あるいは[2−1−10]あるいは[−12−10]方向のいずれかである。
【0032】
ゲート電極がこの方向にある場合、ゲート電極直下のピエゾ電荷が少ないために、閾値電圧の温度変動が小さく、そのため安定な温度特性を実現することができる。
【0033】
(第2の実施形態)
第2の実施形態に係る半導体装置は、基板上にInGaN(混晶比0%〜100%)とAlGaN(混晶比0%〜100%)が順次形成されており、ゲート電極およびオーミック電極が形成されている電界効果トランジスタであって、前記ゲート電極の長手方向が[01−10]方向あるいは[10−10]あるいは[1−100]方向のいずれかであるものであり、これによりゲート電極のストレスによるピエゾ電荷の発生が多いことから閾値電圧が温度に敏感にすることができる。
【0034】
この半導体装置について、上面図および断面構造図を具体的に図2に示す。図2において、101はInGaN層(混晶比0%〜100%)であり2次元電子ガスが走行する。102はAlGaN層でありショットキー層として機能する。103はゲート電極であり例えばPdSi/Auが使用される。104はオーミック電極であり例えばTi/Alが使用される。105はゲート電極であり、長手方向が[01−10]方向あるいは[10−10]あるいは[1−100]方向のいずれかである。
【0035】
ゲート電極がこの方向にある場合、ゲート電極直下のピエゾ電荷が多いために、閾値電圧の温度変動が大きく、そのため温度に敏感な特性を実現することができる。
【0036】
(第3の実施形態)
第3の実施形態に係る半導体装置は、基板上にInGaN(混晶比0%〜100%)とAlGaN(混晶比0%〜100%)が順次形成されており、ゲート電極およびオーミック電極が形成されている電界効果型半導体装置であって、前記ゲート電極の長手方向が[11−20]方向あるいは[2−1−10]あるいは[−12−10]方向のいずれかである電界効果型トランジスタと、前記ゲート電極の長手方向が[01−10]方向あるいは[10−10]あるいは[1−100]方向のいずれかである電界効果型トランジスタが混在することを特徴とする半導体装置であり、ゲート電極のストレスによるピエゾ電荷の発生が多いゲート方位と少ない方位が混在するので、温度特性の異なるトランジスタを組み合わせることにより、回路設計に大きな自由度を与えるという作用を有する。
【0037】
この半導体装置について、上面図および断面構造図を具体的に図3に示す。図3において、101はInGaN層(混晶比0%〜100%)であり2次元電子ガスが走行する。102はAlGaN層でありショットキー層として機能する。103はゲート電極であり例えばPdSi/Auが使用される。104はオーミック電極であり例えばTi/Alが使用される。105はゲート電極であり、長手方向が[11−20]方向あるいは[2−1−10]あるいは[−12−10]方向のいずれかである電界効果型トランジスタと、前記ゲート電極の長手方向が[01−10]方向あるいは[10−10]あるいは[1−100]方向のいずれかである電界効果型トランジスタが混在している。
【0038】
ゲート電極がこれらの方向にある場合、異なる特性を有するトランジスタを混在させることができるため、回路設計に大きな自由度が生まれる。つまり、これを積極的に利用した回路を実現することができる。
【0039】
(第4の実施形態)
第4の実施形態に係る半導体装置は、基板上にInGaN(混晶比0%〜100%)と第1のAlGaN(混晶比0%〜100%)が順次形成されており、ゲート電極が前記第1のAlGaN上に形成されており、前記第1のAlGaN上の一部に第2のAlGaNとオーミック電極が形成されている電界効果型半導体装置であって、前記ゲート電極の長手方向が[11−20]方向あるいは[2−1−10]あるいは[−12−10]方向のいずれかであることを特徴とする半導体装置であり、ゲート電極のストレスによるピエゾ電荷の発生が少ないことから温度特性を鈍感にする作用を有する。さらに、第2のAlGaNのストレスによりその作用をより一層大きくすることができる。
【0040】
この半導体装置について、上面図および断面構造図を具体的に図4に示す。図4において、401はInGaN層(混晶比0%〜100%)であり2次元電子ガスが走行する。402は第1のAlGaN層でありショットキー層として機能する。403はゲート電極であり例えばPdSi/Auが使用される。406は第1のAlGaN層上の一部に形成された第2のAlGaN層であり、この上にオーミック電極404が形成される。オーミック電極404は例えばTi/Alが使用される。405はゲート電極であり、長手方向が[11−20]方向あるいは[2−1−10]あるいは[−12−10]方向のいずれかである。
【0041】
ゲート電極がこの方向にある場合、ゲート電極直下のピエゾ電荷が少ないために、閾値電圧の温度変動が小さく、そのため安定な温度特性を実現することができる。さらに、第2のAlGaN層によりストレスを制御することにより、その効果をより一層高めることができる。
【0042】
(第5の実施形態)
第5の実施形態に係る半導体装置は、基板上にInGaN(混晶比0%〜100%)と第1のAlGaN(混晶比0%〜100%)が順次形成されており、ゲート電極が前記第1のAlGaN上に形成されており、前記第1のAlGaN上の一部に第2のAlGaNとオーミック電極が形成されている電界効果型半導体装置であって、前記ゲート電極の長手方向が[01−10]方向あるいは[10−10]あるいは[1−100]方向のいずれかであることを特徴とする半導体装置であり、ゲート電極のストレスによるピエゾ電荷の発生が多いことから閾値電圧が温度に敏感にする作用を有する。さらに、第2のAlGaNのストレスによりその作用をより一層大きくすることができる。
【0043】
この半導体装置について、上面図および断面構造図を具体的に図5に示す。図5において、401はInGaN層(混晶比0%〜100%)であり2次元電子ガスが走行する。402は第1のAlGaN層でありショットキー層として機能する。403はゲート電極であり例えばPdSi/Auが使用される。406は第1のAlGaN層上の一部に形成された第2のAlGaN層であり、この上にオーミック電極404が形成される。オーミック電極404は例えばTi/Alが使用される。405はゲート電極であり、長手方向が[01−10]方向あるいは[10−10]あるいは[1−100]方向のいずれかである。
【0044】
ゲート電極がこの方向にある場合、ゲート電極直下のピエゾ電荷が多いために、閾値電圧の温度変動が大きく、そのため温度に敏感な特性を実現することができる。さらに、第2のAlGaN層によりストレスを制御することにより、その効果をより一層高めることができる。
【0045】
(第6の実施形態)
第6の実施形態に係る半導体装置は、基板上にInGaN(混晶比0%〜100%)と第1のAlGaN(混晶比0%〜100%)が順次形成されており、ゲート電極が前記第1のAlGaN上に形成されており、前記第1のAlGaN上の一部に第2のAlGaNとオーミック電極が形成されている電界効果型半導体装置であって、前記ゲート電極の長手方向が[11−20]方向あるいは[2−1−10]あるいは[−12−10]方向のいずれかである電界効果型トランジスタと、前記ゲート電極の長手方向が[01−10]方向あるいは[10−10]あるいは[1−100]方向のいずれかである電界効果型トランジスタが混在することを特徴とする半導体装置であり、ゲート電極のストレスによるピエゾ電荷の発生が多いゲート方位と少ない方位が混在できるというしていることから、温度特性の異なるトランジスタを組み合わせることにより、回路設計に大きな自由度を与えるという作用を有する。さらに、第2のAlGaNのストレスによりその作用をより一層大きくすることができる。
【0046】
この半導体装置について、上面図および断面構造図を具体的に図6に示す。図6において、401はInGaN層(混晶比0%〜100%)であり2次元電子ガスが走行する。402は第1のAlGaN層でありショットキー層として機能する。403はゲート電極であり例えばPdSi/Auが使用される。406は第1のAlGaN層上の一部に形成された第2のAlGaN層であり、この上にオーミック電極404が形成される。オーミック電極404は例えばTi/Alが使用される。405はゲート電極であり長手方向が[11−20]方向あるいは[2−1−10]あるいは[01−10]方向のいずれかである電界効果型トランジスタと、前記ゲート電極の長手方向が[01−10]方向あるいは[10−10]あるいは[1−100]方向のいずれかである電界効果型トランジスタが混在させる。
【0047】
ゲート電極がこの方向にある場合、閾値電圧の温度変動が大きいトランジスタと小さいトランジスタを混在させることができる。そのため回路設計に大きな自由度が生まれる。つまり、これを積極的に利用した回路を実現することができる。さらに、第2のAlGaN層によりストレスを制御することにより、その効果をより一層高めることができる。
【0048】
なお、上記実施形態において電界効果トランジスタを構成するIII族窒化物半導体層の組み合わせは、InGaN層/AlGaN層に限らず、AlxGa1−x−yInyN(0≦x≦1、0≦y≦1)についてx、yの値を選んでなる複数のAlGaInN層の組み合わせであっても同様の効果が得られる。
【0049】
なお、上記実施の形態については、ついては、電界効果トランジスタを例に説明したが、電界効果トランジスタに限らず、電界効果を利用した半導体装置すなわち電界効果型半導体装置に本発明を用いても同様な効果が得られる。
【0050】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によればAlGaN/InGaN電界効果型トランジスタにおいて、ピエゾ効果を積極的に利用して、特性を揃える、あるいは温度特性が大きいあるいは小さいトランジスタを実現し、さらにはそれを混在させて回路設計の自由度を広げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態を示す上面図および断面図
【図2】本発明の第2の実施形態を示す上面図および断面図
【図3】本発明の第3の実施形態を示す上面図および断面図
【図4】本発明の第4の実施形態を示す上面図および断面図
【図5】本発明の第5の実施形態を示す上面図および断面図
【図6】本発明の第6の実施形態を示す上面図および断面図
【図7】閾値電圧のゲート電極長手方向を示す図
【図8】閾値電圧の温度特性に関するゲート電極長手方向依存性を示す図
【図9】従来例を示す上面図および断面図
【符号の説明】
101 InGaN層
102 AlGaN層
103 ゲート電極
104 オーミック電極
105 ゲート電極
401 InGaN層
402 第1のAlGaN層
403 ゲート電極
404 オーミック電極
405 ゲート電極
406 第2のAlGaN層[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device used for a high-frequency communication device represented by a mobile phone.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, GaAs-based field-effect transistors or heterojunction bipolar transistors have been used in mobile communication devices typified by mobile phones, and have reached a solid position. However, the development of high performance with new materials is also being vigorously promoted. Among them, nitride III-V compound represented by GaN semiconductor i.e. general formula of Al x Ga 1-x-y In y N (0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1) Group III nitride semiconductors can achieve a sheet carrier concentration ten times higher than GaAs-based semiconductors and have a high dielectric breakdown voltage, and thus have attracted much attention as next-generation compound semiconductor materials.
[0003]
Of particular interest in group III nitride semiconductor devices is a MODFET (Modulation Doped Field Effect Transistor) using an AlGaN / GaN heterojunction. The biggest difference from the GaAs-based MODFET is that the sheet carrier concentration can be realized as much as 10 times that of the GaAs-based MODFET without doping the AlGaN layer serving as the Schottky layer with impurities. The mechanism of carrier generation is that the AlGaN / GaN stress causes polarization of AlGaN by the piezo effect, and as a result, two-dimensional electrons are accumulated at the AlGaN / GaN interface.
[0004]
Therefore, stress is a very important parameter, and the stress between AlGaN / GaN and the induced sheet carrier concentration have been energetically studied. For example, in Non-Patent Document 1, the sheet carrier concentration of a two-dimensional electron gas is quantitatively calculated from stress. FIG. 9 shows an embodiment of a conventional AlGaN / GaN MODFET. This drawing shows a perspective view from above and a cross-sectional view of the MODFET. 101 is an InGaN layer, 102 is an AlGaN layer, and a two-dimensional electron gas accumulates between InGaN / AlGaN. 103 is a gate electrode and 104 is an ohmic electrode.
[0005]
[Non-patent document 1]
O. Ambacher et. al. Journal of Applied Physics, Vol 85, No. 5; (1999) p. 3222-p. 3233.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
Considering the mechanism of carrier accumulation in a nitride-based field-effect transistor, stress around the gate electrode is very important. Nevertheless, in the prior art, only the stress between InGaN / AlGaN has been studied, and no attention has been paid to the stress generated around the gate electrode and the ohmic electrode. For this reason, there has been a problem that an error has occurred in the prediction of the characteristics of the MODFET, and further, the characteristics vary.
[0007]
In view of the above problems, it is an object of the present invention to provide a structure capable of accurately controlling the threshold characteristics of a field-effect transistor in consideration of the stress of a gate electrode and an ohmic electrode.
[0008]
The present inventors have clarified for the first time the superiority regarding the orientation of the gate electrode discussed in the present invention in the nitride-based field-effect transistor. This led to the present invention.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, a semiconductor device according to the present invention is a field effect transistor comprising a group III nitride semiconductor layer formed on a substrate, wherein a gate electrode and an ohmic electrode are formed. The longitudinal direction of the electrode is formed in a specific direction.
[0010]
With this configuration, since the longitudinal direction of the gate electrode is formed in a specific direction, it is possible to control the generation of piezo charges due to the stress of the gate electrode.
[0011]
In the semiconductor device of the present invention, it is preferable that the specific direction is any one of a [11-20] direction, a [2-1-10] direction, and a [-12-10] direction. According to this preferred configuration, the temperature characteristics can be made insensitive because the generation of piezoelectric charges due to the stress of the gate electrode is small.
[0012]
Here, for example, "minus" of -2 in [11-20] means "bar". The same applies to the other directions.
[0013]
In the semiconductor device of the present invention, it is preferable that the specific direction is any one of a [01-10] direction, a [10-10] direction, and a [1-100] direction. According to this preferred configuration, the threshold voltage can be made sensitive to temperature because piezo charges are frequently generated due to the stress of the gate electrode.
[0014]
The semiconductor device of the present invention includes a plurality of field-effect transistors formed of a group III nitride semiconductor formed on a substrate and having a gate electrode and an ohmic electrode, wherein the longitudinal direction of the gate electrode is [ 11-20] direction, [2-1-10] direction or [-12-10] direction, and the longitudinal direction of the gate electrode is [01-10] direction, [10- And a field-effect transistor in either the [10] direction or the [1-100] direction.
[0015]
According to this configuration, a gate orientation in which piezo charges are frequently generated due to the stress of the gate electrode and a direction in which the piezo charges are small are mixed, so that a large degree of freedom can be given to circuit design by combining transistors having different temperature characteristics.
[0016]
The semiconductor device of the present invention includes first and second group III nitride semiconductor layers formed on a substrate, a gate electrode is formed on the first group III nitride semiconductor layer, and an ohmic electrode is formed on the first group III nitride semiconductor layer. A field effect transistor formed on a second group III nitride semiconductor layer, wherein a longitudinal direction of the gate electrode is formed in a specific direction.
[0017]
With this configuration, since the longitudinal direction of the gate electrode is formed in a specific direction, it is possible to control the temperature characteristics by controlling the generation of piezo charges due to the stress of the gate electrode, and to control the temperature characteristics of the second group III nitride semiconductor layer. The controllability can be further improved by the stress.
[0018]
In the semiconductor device of the present invention, it is preferable that the specific direction is any one of a [11-20] direction, a [2-1-10] direction, and a [-12-10] direction. According to this preferred configuration, the temperature characteristics can be made insensitive because the generation of piezoelectric charges due to the stress of the gate electrode is small.
[0019]
In the semiconductor device of the present invention, it is preferable that the specific direction is any one of a [01-10] direction, a [10-10] direction, and a [1-100] direction. According to this preferred configuration, the threshold voltage can be made sensitive to temperature because piezo charges are frequently generated due to the stress of the gate electrode.
[0020]
The semiconductor device of the present invention includes first and second group III nitride semiconductor layers formed on a substrate, a gate electrode is formed on the first group III nitride semiconductor layer, and an ohmic electrode is formed on the first group III nitride semiconductor layer. A plurality of field effect transistors formed on the second group III nitride semiconductor layer, wherein the longitudinal direction of the gate electrode is [11-20], [2-1-10], or [-12] -10] direction, and a field effect transistor wherein the longitudinal direction of the gate electrode is any one of [01-10], [10-10] and [1-100] directions. And a transistor.
[0021]
According to this configuration, a gate orientation in which piezo charges are frequently generated due to the stress of the gate electrode and a direction in which the piezo charges are small are mixed, so that a large degree of freedom can be given to circuit design by combining transistors having different temperature characteristics. Furthermore, the controllability of the piezo charge can be further improved by the stress of the second group III nitride semiconductor layer due to the stress of the second group III nitride semiconductor layer.
[0022]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0023]
A longitudinal direction of a gate electrode of a field effect transistor in which an AlN layer, a GaN layer, and an AlGaN layer are sequentially formed on a SiC substrate is directed to a specific direction. FIG. 7 shows a graph obtained as a result of the inventor's first measurement of the relationship between the longitudinal direction of the gate electrode and the threshold voltage. It can be seen that the threshold voltage shows the gate azimuth dependency, and becomes the deepest threshold voltage in the [10-10] direction.
[0024]
FIG. 8 shows the substrate temperature dependence of the threshold voltage of the field effect transistor. It can be seen that the temperature coefficient also has a gate direction dependency. This makes it possible to uniform the threshold characteristics of the field-effect transistor by making the amount of the piezo charge generated around the gate electrode or the ohmic electrode constant.
[0025]
Also, the threshold voltage can be controlled by varying the stress around the gate electrode and the ohmic electrode.
[0026]
Although this experiment was conducted using 4H-SiC as a substrate, similar effects can be obtained with other substrates such as a 6H-SiC substrate and a sapphire substrate.
[0027]
Further, the combination of the group III nitride semiconductor layers constituting the field effect transistor is not limited to the InGaN layer / AlGaN layer, and similar effects can be obtained by other combinations.
[0028]
A semiconductor device having the above characteristics will be described in the following embodiments.
[0029]
In the following embodiments, a 4H-SiC substrate, a 6H-SiC substrate, a sapphire substrate, or the like can be used as the substrate.
[0030]
(1st Embodiment)
In the semiconductor device according to the first embodiment, InGaN (mixed crystal ratio: 0% to 100%) and AlGaN (mixed crystal ratio: 0% to 100%) are sequentially formed on a substrate, and a gate electrode and an ohmic electrode are formed. The field effect type semiconductor device is formed, wherein the longitudinal direction of the gate electrode is any one of [11-20] direction, [2-1-10] or [-12-10] direction. Further, since the generation of piezo charges due to the stress of the gate electrode is small, the temperature characteristics can be made insensitive.
[0031]
FIG. 1 specifically shows a top view and a cross-sectional structural view of this semiconductor device. In FIG. 1,
[0032]
When the gate electrode is located in this direction, the piezo charge immediately below the gate electrode is small, so that the temperature fluctuation of the threshold voltage is small, so that stable temperature characteristics can be realized.
[0033]
(Second embodiment)
In the semiconductor device according to the second embodiment, InGaN (mixed crystal ratio: 0% to 100%) and AlGaN (mixed crystal ratio: 0% to 100%) are sequentially formed on a substrate, and a gate electrode and an ohmic electrode are formed. A field-effect transistor formed, wherein the longitudinal direction of the gate electrode is either the [01-10] direction or the [10-10] or [1-100] direction. Since the piezo charge is frequently generated due to the stress, the threshold voltage can be made sensitive to temperature.
[0034]
FIG. 2 specifically shows a top view and a cross-sectional structural view of this semiconductor device. In FIG. 2,
[0035]
When the gate electrode is in this direction, a large amount of piezo-electric charges immediately below the gate electrode causes a large temperature variation of the threshold voltage, and thus, a temperature-sensitive characteristic can be realized.
[0036]
(Third embodiment)
In the semiconductor device according to the third embodiment, InGaN (mixed crystal ratio: 0% to 100%) and AlGaN (mixed crystal ratio: 0% to 100%) are sequentially formed on a substrate, and a gate electrode and an ohmic electrode are formed. A field effect type semiconductor device formed, wherein a longitudinal direction of the gate electrode is any one of a [11-20] direction, a [2-1-10] or a [-12-10] direction. A semiconductor device comprising a mixture of a transistor and a field-effect transistor in which the longitudinal direction of the gate electrode is either the [01-10] direction or the [10-10] or [1-100] direction. Because the gate direction where the piezo charge is generated by the stress of the gate electrode is large and the direction where the piezo charge is small is mixed, the circuit is made by combining the transistors with different temperature characteristics. It has the effect of giving a large degree of freedom in total.
[0037]
FIG. 3 specifically shows a top view and a cross-sectional structure diagram of this semiconductor device. In FIG. 3,
[0038]
When the gate electrode is in these directions, transistors having different characteristics can be mixed, so that a great degree of freedom is provided in circuit design. That is, it is possible to realize a circuit that positively utilizes this.
[0039]
(Fourth embodiment)
In the semiconductor device according to the fourth embodiment, InGaN (mixed crystal ratio: 0% to 100%) and first AlGaN (mixed crystal ratio: 0% to 100%) are sequentially formed on a substrate, and a gate electrode is formed. A field-effect semiconductor device formed on the first AlGaN, wherein a second AlGaN and an ohmic electrode are formed on a part of the first AlGaN, wherein a longitudinal direction of the gate electrode is A semiconductor device characterized in that the direction is either the [11-20] direction or the [2-1-10] or [-12-10] direction, and the generation of piezo charges due to stress on the gate electrode is small. It has the effect of making temperature characteristics insensitive. Further, the action of the second AlGaN can be further enhanced by the stress.
[0040]
FIG. 4 specifically shows a top view and a sectional structural view of this semiconductor device. In FIG. 4,
[0041]
When the gate electrode is located in this direction, the piezo charge immediately below the gate electrode is small, so that the temperature fluctuation of the threshold voltage is small, so that stable temperature characteristics can be realized. Further, the effect can be further enhanced by controlling the stress by the second AlGaN layer.
[0042]
(Fifth embodiment)
In the semiconductor device according to the fifth embodiment, InGaN (
[0043]
FIG. 5 specifically shows a top view and a cross-sectional structure diagram of this semiconductor device. In FIG. 5,
[0044]
When the gate electrode is in this direction, a large amount of piezo-electric charges immediately below the gate electrode causes a large temperature variation of the threshold voltage, and thus, a temperature-sensitive characteristic can be realized. Further, the effect can be further enhanced by controlling the stress by the second AlGaN layer.
[0045]
(Sixth embodiment)
In the semiconductor device according to the sixth embodiment, InGaN (
[0046]
FIG. 6 specifically shows a top view and a sectional structural view of this semiconductor device. In FIG. 6,
[0047]
When the gate electrode is in this direction, a transistor having a large threshold voltage temperature variation and a transistor having a small threshold voltage variation can be mixed. Therefore, a great degree of freedom is created in circuit design. That is, it is possible to realize a circuit that positively utilizes this. Further, the effect can be further enhanced by controlling the stress by the second AlGaN layer.
[0048]
In the above embodiment, the combination of the group III nitride semiconductor layers constituting the field-effect transistor is not limited to the InGaN layer / AlGaN layer, but may be Al x Ga 1-xy In y N (0 ≦ x ≦ 1, 0 The same effect can be obtained even with a combination of a plurality of AlGaInN layers in which the values of x and y are selected for ≦ y ≦ 1).
[0049]
Although the above embodiment has been described with reference to a field-effect transistor as an example, the present invention is not limited to a field-effect transistor, and the same applies to a semiconductor device using a field effect, that is, a field-effect semiconductor device. The effect is obtained.
[0050]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, in the AlGaN / InGaN field-effect transistor, a transistor having uniform characteristics or a large or small temperature characteristic is realized by positively utilizing the piezo effect, and By mixing them, the degree of freedom in circuit design can be expanded.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a top view and a sectional view showing a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a top view and a sectional view showing a second embodiment of the present invention. FIG. 3 is a third embodiment of the present invention. FIG. 4 is a top view and a cross-sectional view showing a fourth embodiment of the present invention. FIG. 5 is a top view and a cross-sectional view showing a fifth embodiment of the present invention. FIG. 7 is a top view and a cross-sectional view showing a sixth embodiment of the invention. FIG. 7 is a diagram showing a gate electrode longitudinal direction of a threshold voltage. FIG. 8 is a diagram showing a gate electrode longitudinal direction dependence of a temperature characteristic of a threshold voltage. Top view and cross-sectional view showing a conventional example.
101
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