JP2006128646A - Electronic device and heterojunction fet - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electronic device which can achieve a high withstand voltage by uniformly distributing an electric field between electrodes, using a simple configuration. <P>SOLUTION: A gate Schottky electrode 106 is formed on an active layer made up of a GaN layer 102 and an AlGaN layer 103, and a source ohmic electrode 105 and a drain ohmic electrode 107 are formed on the active layer and on both sides of the gate Schottky electrode 106. A dielectic layer (TiO<SB>2</SB>layers 108, 109, and 110), having a step-like laminated structure, is formed on the AlGaN layer 103 so that the electric field is almost uniformly distributed between the gate Schottky electrode 106 and the drain ohmic electrode 107. The permittivity of TiO<SB>2</SB>of the dielectric layer is set higher than those of GaN or of AlGaN of the active layer. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

この発明は、電子デバイスおよびヘテロ接合FET(Field Effect Transistor;電界効果トランジスタ)に関し、特にGaNヘテロ接合FETに好適なものである。   The present invention relates to an electronic device and a heterojunction FET (Field Effect Transistor), and is particularly suitable for a GaN heterojunction FET.

従来、電子デバイスとしては、図11に示すGaNヘテロ接合FETがある(例えば、(非特許文献1)参照)。図11は前記GaNヘテロ接合FETの断面図を示している。このGaNヘテロ接合FETは、図11に示すように、サファイア基板1101上に、厚さ約3μmのアンドープGaNからなるGaN層1102と、厚さ20nmのアンドープAl0.5Ga0.5NからなるAl0.5Ga0.5N層1103とを順次形成し、そのAl0.5Ga0.5N層1103上に、Ti/Al/Ni/Auからなるソースオーミック電極1105と、Ni/Auからなるゲートショットキー電極1106と、Ti/Al/Ni/Auからなるドレインオーミック電極1107とを順次形成している。GaN層1102とAl0.5Ga0.5N層1103の境界の領域に2DEG(2Dimensional Electron Gas;2次元電子ガス)1104が発生する。2DEGの濃度は8×1012cm−2である。また、素子分離のためのアイソレーションメサ1112を形成している。 Conventionally, as an electronic device, there is a GaN heterojunction FET shown in FIG. 11 (see, for example, (Non-Patent Document 1)). FIG. 11 shows a cross-sectional view of the GaN heterojunction FET. As shown in FIG. 11, this GaN heterojunction FET consists of a GaN layer 1102 made of undoped GaN with a thickness of about 3 μm and an undoped Al 0.5 Ga 0.5 N with a thickness of 20 nm on a sapphire substrate 1101. An Al 0.5 Ga 0.5 N layer 1103 is formed in sequence, and a source ohmic electrode 1105 made of Ti / Al / Ni / Au is formed on the Al 0.5 Ga 0.5 N layer 1103, and Ni / Au. A gate Schottky electrode 1106 made of and a drain ohmic electrode 1107 made of Ti / Al / Ni / Au are sequentially formed. 2DEG (2 Dimensional Electron Gas) 1104 is generated in the boundary region between the GaN layer 1102 and the Al 0.5 Ga 0.5 N layer 1103. The concentration of 2DEG is 8 × 10 12 cm −2 . Further, an isolation mesa 1112 for element isolation is formed.

前記従来のGaNヘテロ接合FETにおいて、ゲートショットキー電極1106とドレインオーミック電極1107との間の電界が半導体の破壊電界を上回ると、デバイスの絶縁破壊が起こる。半導体がGaNの場合は、破壊電界Emaxが約5MV/cmである。ここで、ドレインオーミック電極1107とゲートショットキー電極1106との間隔がLdgであり、ドレイン・ゲート印加電圧がVdgであれば、平均の電界はVdg/Ldgで表される。しかし、電界分布は一般的に不均一であり、電界が最大となるのはゲートショットキー電極1106辺りにある。この最大の電界は通常平均の電界より高いから、通常のデバイスの耐圧は(Ldg・Emax)より低い。   In the conventional GaN heterojunction FET, when the electric field between the gate Schottky electrode 1106 and the drain ohmic electrode 1107 exceeds the breakdown electric field of the semiconductor, breakdown of the device occurs. When the semiconductor is GaN, the breakdown electric field Emax is about 5 MV / cm. Here, if the distance between the drain ohmic electrode 1107 and the gate Schottky electrode 1106 is Ldg and the drain-gate applied voltage is Vdg, the average electric field is represented by Vdg / Ldg. However, the electric field distribution is generally non-uniform, and the electric field is maximized around the gate Schottky electrode 1106. Since this maximum electric field is usually higher than the average electric field, the breakdown voltage of a normal device is lower than (Ldg · Emax).

図12に示すGaNヘテロ接合FETのデバイス構造は、図11に示す従来のGaNヘテロ接合FETの構造と同じものである。図12にはデバイス構造と共に電位を示している。この電位はシミュレーションによって計算したものである。図12に示すヘテロ接合FETの断面図を用いて、この発明が解決しようとする課題を以下に詳しく説明する。   The device structure of the GaN heterojunction FET shown in FIG. 12 is the same as that of the conventional GaN heterojunction FET shown in FIG. FIG. 12 shows the potential along with the device structure. This potential is calculated by simulation. The problem to be solved by the present invention will be described in detail below using the cross-sectional view of the heterojunction FET shown in FIG.

サファイア基板1201の上に、厚さ3μmのアンドープGaNからなるGaN層1202と厚さ20nmのアンドープAl0.5Ga0.5NからなるAl0.5Ga0.5N層1203を形成し、そのAl0.5Ga0.5N層1203上に、ソースオーミック電極1205とゲートショットキー電極1206およびドレインオーミック電極1207を形成している。前記GaN層1202とAl0.5Ga0.5N層1203の境界の領域に2DEG1204が発生する。このときの2DEGの濃度は8×1012cm−2である。ここで、ドレインオーミック電極1107とゲートショットキー電極1106との間隔Ldgは3μm、ドレイン・ソース印加電圧Vdsは400V、ゲート・ソース印加電圧Vgsは−10Vである。このバイアス条件の場合は、デバイスがオフ状態(チャネルが空乏化され、電流が流れない状態)である。 On the sapphire substrate 1201, a GaN layer 1202 made of undoped GaN having a thickness of 3 μm and an Al 0.5 Ga 0.5 N layer 1203 made of undoped Al 0.5 Ga 0.5 N having a thickness of 20 nm are formed. On the Al 0.5 Ga 0.5 N layer 1203, a source ohmic electrode 1205, a gate Schottky electrode 1206, and a drain ohmic electrode 1207 are formed. 2DEG 1204 is generated at the boundary between the GaN layer 1202 and the Al 0.5 GaN 0.5 N layer 1203. At this time, the concentration of 2DEG is 8 × 10 12 cm −2 . Here, the distance Ldg between the drain ohmic electrode 1107 and the gate Schottky electrode 1106 is 3 μm, the drain-source applied voltage Vds is 400 V, and the gate-source applied voltage Vgs is −10 V. In this bias condition, the device is in an off state (a state where the channel is depleted and no current flows).

図12に示す電位間が狭いところは電界が高いことを示している。図12から明らかなように、ゲートショットキー電極1206近傍では電界が高くなることが分かる。シミュレーション結果によって、このバイアス条件では最大電界が9.48MV/cmもあり、破壊電界Emax(約5MV/cm)を大きく上回ることが分かる。実物のGaNヘテロ接合FETに同じバイアス条件の電圧を印加すると絶縁破壊が起こる。   A place where the gap between the potentials shown in FIG. 12 is narrow indicates that the electric field is high. As can be seen from FIG. 12, the electric field increases in the vicinity of the gate Schottky electrode 1206. From the simulation results, it can be seen that the maximum electric field is 9.48 MV / cm under this bias condition, which greatly exceeds the breakdown electric field Emax (about 5 MV / cm). When a voltage with the same bias condition is applied to a real GaN heterojunction FET, dielectric breakdown occurs.

電位がゲート電極の近い領域に集中する程度はデバイスのチャネル辺りにある固定電荷(fixed charge)濃度に依存する。実用的なGaNヘテロ接合FETには、AlGaN層の組成または不純物ドーピングによって、この固定電荷濃度がある程度制御できる。固定電荷濃度が高い場合は、デバイスがオン状態の時の2DEG濃度nsが高くてオン抵抗が低いので、オフ状態の時の電界集中程度が高くて耐圧が低くなる。しかしながら、オン抵抗が低くてオフ耐圧が高いのが望ましい。   The degree to which the potential concentrates in the region near the gate electrode depends on the fixed charge concentration around the channel of the device. In a practical GaN heterojunction FET, the fixed charge concentration can be controlled to some extent by the composition of AlGaN layer or impurity doping. When the fixed charge concentration is high, the 2DEG concentration ns when the device is in the on state is high and the on resistance is low. However, it is desirable that the on-resistance is low and the off-breakdown voltage is high.

GaNヘテロ接合FETのゲート電極とドレイン電極は半導体層の同一面上にあって、ゲート電極とドレイン電極との間に印加される電圧が高い。GaNヘテロ接合FETは、GaAsやSiのFETと異なって、フィールドプレート(Field plate)構造は有効ではない。このようなGaNヘテロ接合FETにフィールドプレートを用いる場合は、半導体層の最大電界が低いが、フィールドプレート下側の絶縁膜の電界が高いために、絶縁膜で絶縁破壊が起こるという問題がある(通常の絶縁膜の破壊電界はGaAsやSiの破壊電界より高いが、GaNの破壊電界と同じ程度である)。
ツアング(Zhang,n.-Q.)著、他5名、「オーバーラッピングゲート構造の高ブレークダウンGaN HEMT(High Breakdown GaN HEMT with Overlapping Gate Structure)」、第21巻、エレクトロン・デバイス・レターズ(Electron Device Letters)、アイトリプルイー(IEEE)、2000年9月、p.373−375、p.421−423
The gate electrode and the drain electrode of the GaN heterojunction FET are on the same surface of the semiconductor layer, and the voltage applied between the gate electrode and the drain electrode is high. Unlike a GaAs or Si FET, a GaN heterojunction FET does not have a field plate structure. When a field plate is used for such a GaN heterojunction FET, the maximum electric field of the semiconductor layer is low, but there is a problem that dielectric breakdown occurs in the insulating film because the electric field of the insulating film below the field plate is high ( The breakdown field of a normal insulating film is higher than the breakdown field of GaAs or Si, but is about the same as the breakdown field of GaN).
Zhang, n.-Q. and five others, “High Breakdown GaN HEMT with Overlapping Gate Structure (GaN HEMT)”, Volume 21, Electron Device Letters (Electron) Device Letters), i Triple E (IEEE), September 2000, p.373-375, p.421-423.

そこで、この発明の目的は、簡単な構成で電極間の電界分布を均一にすることにより高耐圧化できる電子デバイスを提供することにある。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an electronic device capable of increasing the breakdown voltage by making the electric field distribution between electrodes uniform with a simple configuration.

前記目的を達成するため、この発明の電子デバイスは、能動層を備えた電子デバイスであって、前記能動層上に形成された複数の電極と、前記複数の電極うちの少なくとも2つの電極間の電界分布が略均一になるように、前記能動層上に形成された誘電体層とを備えたことを特徴とする。ここで、「能動層」とは、一般的に半導体または絶縁体で構成され、信号を伝達したりスイッチングしたり増幅したりする層のことである。   In order to achieve the above object, an electronic device of the present invention is an electronic device including an active layer, and includes a plurality of electrodes formed on the active layer and at least two of the plurality of electrodes. And a dielectric layer formed on the active layer so that the electric field distribution is substantially uniform. Here, the “active layer” is a layer that is generally formed of a semiconductor or an insulator and that transmits, switches, or amplifies signals.

前記構成の電子デバイスによれば、前記能動層上に形成された誘電体層に例えば誘電率が高いTiOやHfOなどの誘電体を用いることによって、能動層上に形成された複数の電極うちの少なくとも2つの電極間の電界分布が略均一にすることが容易にできる(マクスウェル(Maxwell)式「div.(εE)=ρ」によれば、電荷密度ρが存在して、誘電率εが高いなるほど電界Eの勾配が小さくなる)。したがって、電界をシールドするためのフィールドプレート構造を用いることなく、簡単な構成で電極間の電界分布を均一にすることにより高耐圧化が図れる。 According to the electronic device having the above-described configuration, a plurality of electrodes formed on the active layer by using a dielectric such as TiO 2 or HfO 2 having a high dielectric constant for the dielectric layer formed on the active layer. The electric field distribution between at least two of the electrodes can be made substantially uniform (Maxwell equation “div. (ΕE) = ρ” indicates that there is a charge density ρ and a dielectric constant ε The higher the value, the smaller the gradient of the electric field E). Therefore, a high breakdown voltage can be achieved by making the electric field distribution between the electrodes uniform with a simple configuration without using a field plate structure for shielding the electric field.

また、一実施形態の電子デバイスは、前記誘電体層の誘電率ε2は前記能動層の誘電率ε1より高いことを特徴とする。   The electronic device according to an embodiment is characterized in that the dielectric layer has a dielectric constant ε2 higher than that of the active layer.

前記実施形態の電子デバイスによれば、前記誘電体層の誘電率ε2を前記能動層の誘電率ε1より高くすることによって、電極間の電界分布を容易に均一化できる。   According to the electronic device of the embodiment, the electric field distribution between the electrodes can be easily uniformed by making the dielectric constant ε2 of the dielectric layer higher than the dielectric constant ε1 of the active layer.

また、一実施形態の電子デバイスは、前記能動層の厚さをt1とし、前記誘電体層の最大厚さをt2maxとするとき、前記誘電体層の最大厚さt2maxと前記誘電体層の誘電率ε2との積t2max・ε2と、前記能動層の厚さt1と前記能動層の誘電率ε1との積t1・ε1との関係は、
t2max・ε2 > t1・ε1
の条件を満たすことを特徴とする。
The electronic device according to an embodiment has a maximum thickness t2max of the dielectric layer and a dielectric of the dielectric layer, where the thickness of the active layer is t1 and the maximum thickness of the dielectric layer is t2max. The relationship between the product t2max · ε2 with the factor ε2 and the product t1 · ε1 with the thickness t1 of the active layer and the dielectric constant ε1 of the active layer is
t2max ・ ε2> t1 ・ ε1
It satisfies the following conditions.

前記実施形態の電子デバイスによれば、誘電体層の最大厚さt2maxと誘電体層の誘電率ε2との積t2max・ε2を、能動層の厚さt1と能動層の誘電率ε1との積t1・ε1よりも大きくすることによって、電極間の電界分布をより容易に均一化できる。   According to the electronic device of the above embodiment, the product t2max · ε2 of the maximum thickness t2max of the dielectric layer and the dielectric constant ε2 of the dielectric layer is the product of the thickness t1 of the active layer and the dielectric constant ε1 of the active layer. By making it larger than t1 · ε1, the electric field distribution between the electrodes can be made uniform more easily.

また、一実施形態の電子デバイスは、前記電界分布が略均一になるようにした電極間の間隔をLとし、前記誘電体層の最大厚さをt2maxとするとき、前記誘電体層の最大厚さt2maxと前記誘電体層の誘電率ε2との積t2max・ε2と、前記電極の間隔Lと前記能動層の誘電率ε1との積L・ε1との関係は、
t2max・ε2 > L・ε1
の条件を満たすことを特徴とする。
The electronic device according to an embodiment has a maximum thickness of the dielectric layer, where L is an interval between the electrodes so that the electric field distribution is substantially uniform, and t2max is the maximum thickness of the dielectric layer. The relationship between the product t2max · ε2 of the thickness t2max and the dielectric constant ε2 of the dielectric layer and the product L · ε1 of the gap L between the electrodes and the dielectric constant ε1 of the active layer is
t2max ・ ε2> L ・ ε1
It satisfies the following conditions.

前記実施形態の電子デバイスによれば、誘電体層の最大厚さt2maxと誘電体層の誘電率ε2との積t2max・ε2を、電極の間隔Lと前記能動層の誘電率ε1との積L・ε1よりも大きくすることによって、電極間の電界分布をより容易に均一化できる。   According to the electronic device of the above embodiment, the product t2max · ε2 of the maximum thickness t2max of the dielectric layer and the dielectric constant ε2 of the dielectric layer is represented by the product L of the gap L between the electrodes and the dielectric constant ε1 of the active layer. -By making it larger than ε1, the electric field distribution between the electrodes can be made uniform more easily.

また、一実施形態の電子デバイスは、前記能動層の厚さをt1とし、前記誘電体層の最大厚さをt2maxとするとき、前記誘電体層の最大厚さt2maxと前記誘電体層の誘電率ε2との積t2max・ε2と、前記能動層の厚さt1と前記能動層の誘電率ε1との積t1・ε1との関係は、
t2max・ε2 > t1・ε1
の条件を満たすと共に、
前記電界分布が略均一になるようにした電極間の間隔をLとし、前記誘電体層の最大厚さをt2maxとするとき、前記誘電体層の最大厚さt2maxと前記誘電体層の誘電率ε2との積t2max・ε2と、前記電極の間隔Lと前記能動層の誘電率ε1との積L・ε1との関係は、
t2max・ε2 > L・ε1
の条件を満たすことを特徴とする。
The electronic device according to an embodiment has a maximum thickness t2max of the dielectric layer and a dielectric of the dielectric layer, where the thickness of the active layer is t1 and the maximum thickness of the dielectric layer is t2max. The relationship between the product t2max · ε2 with the factor ε2 and the product t1 · ε1 with the thickness t1 of the active layer and the dielectric constant ε1 of the active layer is
t2max ・ ε2> t1 ・ ε1
While satisfying the conditions of
When the distance between the electrodes in which the electric field distribution is substantially uniform is L and the maximum thickness of the dielectric layer is t2max, the maximum thickness t2max of the dielectric layer and the dielectric constant of the dielectric layer The relationship between the product t2max · ε2 with ε2 and the product L · ε1 of the gap L between the electrodes and the dielectric constant ε1 of the active layer is
t2max ・ ε2> L ・ ε1
It satisfies the following conditions.

前記実施形態の電子デバイスによれば、誘電体層の最大厚さt2maxと誘電体層の誘電率ε2との積t2max・ε2を、能動層の厚さt1と能動層の誘電率ε1との積t1・ε1よりも大きくし、かつ、誘電体層の最大厚さt2maxと誘電体層の誘電率ε2との積t2max・ε2を、電極の間隔Lと前記能動層の誘電率ε1との積L・ε1よりも大きくすることによって、電極間の電界分布の均一化をさらに確実に行うことができる。   According to the electronic device of the above embodiment, the product t2max · ε2 of the maximum thickness t2max of the dielectric layer and the dielectric constant ε2 of the dielectric layer is the product of the thickness t1 of the active layer and the dielectric constant ε1 of the active layer. The product t2max · ε2 of the maximum thickness t2max of the dielectric layer and the dielectric constant ε2 of the dielectric layer is made larger than t1 · ε1, and the product L of the electrode gap L and the dielectric constant ε1 of the active layer -By making it larger than ε1, the electric field distribution between the electrodes can be made more uniform.

また、一実施形態の電子デバイスは、前記誘電体層は、段毎に積層数の異なる階段状の積層構造をしており、前記誘電体層の各段における層の厚さと誘電率の積の和は、前記電界分布が略均一になるようにした電極の一方から他方に向かって小さくなっていることを特徴とする。   In the electronic device according to an embodiment, the dielectric layer has a step-like stacked structure in which the number of layers is different for each step, and the product of the thickness of the layer and the dielectric constant in each step of the dielectric layer. The sum is characterized in that the electric field distribution decreases from one side of the electrode to the other side so as to be substantially uniform.

前記実施形態の電子デバイスによれば、誘電体層の各段を構成する層毎の厚さと誘電率の積の和は、電極の一方から他方に向かって段毎に小さくして、前記電界分布が略均一になるようにすることによって、電極間の電界分布をさらに確実に均一化する階段状の誘電体層を簡単に形成できる。   According to the electronic device of the embodiment, the sum of the product of the thickness and the dielectric constant of each layer constituting each step of the dielectric layer is made smaller from one electrode to the other for each step, and the electric field distribution Is made substantially uniform, it is possible to easily form a step-like dielectric layer that makes the electric field distribution between the electrodes more uniform.

また、一実施形態の電子デバイスは、前記電界分布が略均一になるようにした電極の一方から他方に向かって前記誘電体層の厚さが薄くなるかまたは前記誘電体層の誘電率が小さくなっていることを特徴とする。   In one embodiment of the electronic device, the thickness of the dielectric layer decreases from one electrode to the other where the electric field distribution is substantially uniform, or the dielectric constant of the dielectric layer decreases. It is characterized by becoming.

前記実施形態の電子デバイスによれば、電界分布が略均一になるようにした電極の一方から他方に向かって誘電体層の厚さを薄くすることによって、電極間の電界分布をさらに確実に均一化する誘電体層を簡単に形成できる。または、電界分布が略均一になるようにした電極の一方から他方に向かって誘電体層の誘電率を小さくすることによって、電極間の電界分布をさらに確実に均一化する階段状の誘電体層を簡単に形成できる。   According to the electronic device of the above-described embodiment, the electric field distribution between the electrodes is more surely uniformed by reducing the thickness of the dielectric layer from one electrode to the other electrode in which the electric field distribution is substantially uniform. The dielectric layer to be converted can be easily formed. Alternatively, a step-like dielectric layer that more reliably equalizes the electric field distribution between the electrodes by decreasing the dielectric constant of the dielectric layer from one electrode to the other so that the electric field distribution is substantially uniform. Can be easily formed.

また、一実施形態の電子デバイスは、前記能動層がIII族窒化物系化合物半導体であることを特徴とする。   In one embodiment, the active layer is a group III nitride compound semiconductor.

前記実施形態の電子デバイスによれば、前記能動層にIII族窒化物系化合物半導体が用いられているデバイスでは、前記誘電体層による電界分布の均一化による効果が特に顕著である。   According to the electronic device of the embodiment, in the device in which the group III nitride compound semiconductor is used for the active layer, the effect of uniforming the electric field distribution by the dielectric layer is particularly remarkable.

また、一実施形態の電子デバイスは、前記誘電体層が金属酸化物(metallic oxide)を含むことを特徴とする。   The electronic device according to an embodiment is characterized in that the dielectric layer includes a metal oxide.

前記実施形態の電子デバイスによれば、前記誘電体層が金属酸化物を含むことによって、誘電率の高い誘電体層を容易に形成することができる。   According to the electronic device of the embodiment, the dielectric layer containing a metal oxide can easily form a dielectric layer having a high dielectric constant.

また、一実施形態の電子デバイスは、前記誘電体層が前記能動層にストレスをかけないように形成されていることを特徴とする。   The electronic device according to an embodiment is characterized in that the dielectric layer is formed so as not to apply stress to the active layer.

前記実施形態の電子デバイスによれば、例えば、強い圧電効果を発揮するIII族窒化物系化合物半導体を能動層に用いた場合、能動層の表面にストレスが発生して2DEGの濃度変化が起こる可能性がある。このような2DEGの濃度変化は、電子デバイスの特性上、望ましくない。従って、誘電体層は半導体にストレスがかからないように形成するのが望ましい。特に、前記誘電体層をスパッタリングやスピンコート法により形成するのが好ましい。   According to the electronic device of the above embodiment, for example, when a group III nitride compound semiconductor that exhibits a strong piezoelectric effect is used for the active layer, stress may be generated on the surface of the active layer to cause a 2DEG concentration change. There is sex. Such a 2DEG concentration change is undesirable in terms of the characteristics of the electronic device. Therefore, it is desirable to form the dielectric layer so that the semiconductor is not stressed. In particular, the dielectric layer is preferably formed by sputtering or spin coating.

また、この発明のヘテロ接合FETは、半導体からなる能動層上に形成されたゲート電極と、前記能動層上にかつ前記ゲート電極の両側に形成されたソース電極およびドレイン電極と、前記ソース電極または前記ドレイン電極の少なくとも一方と前記ゲート電極との間の電界分布が略均一になるように、前記能動層上に形成された誘電体層とを備えたことを特徴とする。ここで、「能動層」とは信号を伝達したりスイッチングしたり増幅したりする層のことである。   The heterojunction FET of the present invention includes a gate electrode formed on an active layer made of a semiconductor, a source electrode and a drain electrode formed on the active layer and on both sides of the gate electrode, and the source electrode or And a dielectric layer formed on the active layer so that an electric field distribution between at least one of the drain electrodes and the gate electrode is substantially uniform. Here, the “active layer” is a layer that transmits, switches, or amplifies signals.

前記構成のヘテロ接合FETによれば、前記能動層上に形成された誘電体層に例えば誘電率が高い誘電体を用いることによって、能動層上に形成されたソース電極またはドレイン電極の少なくとも一方とゲート電極との間の電界分布が略均一にすることが容易にできる。したがって、電界をシールドするためのフィールドプレート構造を用いることなく、簡単な構成で電極間の電界分布を均一にすることにより高耐圧化が図れる。   According to the heterojunction FET having the above configuration, by using, for example, a dielectric having a high dielectric constant for the dielectric layer formed on the active layer, and at least one of the source electrode and the drain electrode formed on the active layer. It is easy to make the electric field distribution with the gate electrode substantially uniform. Therefore, a high breakdown voltage can be achieved by making the electric field distribution between the electrodes uniform with a simple configuration without using a field plate structure for shielding the electric field.

また、一実施形態のヘテロ接合FETは、前記誘電体層の誘電率ε2は前記能動層の誘電率ε1より高いことを特徴とする。   In one embodiment, the dielectric junction ε2 of the dielectric layer is higher than the dielectric constant ε1 of the active layer.

前記実施形態のヘテロ接合FETよれば、前記誘電体層の誘電率ε2を前記能動層の誘電率ε1より高くすることによって、電極間の電界分布を容易に均一化できる。   According to the heterojunction FET of the embodiment, the electric field distribution between the electrodes can be easily uniformed by making the dielectric constant ε2 of the dielectric layer higher than the dielectric constant ε1 of the active layer.

また、一実施形態のヘテロ接合FETは、前記能動層の厚さをt1とし、前記誘電体層の最大厚さをt2maxとするとき、前記誘電体層の最大厚さt2maxと前記誘電体層の誘電率ε2との積t2max・ε2と、前記能動層の厚さt1と前記能動層の誘電率ε1との積t1・ε1との関係は、
t2max・ε2 > t1・ε1
の条件を満たすことを特徴とする。
The heterojunction FET of one embodiment has a maximum thickness t2max of the dielectric layer and a thickness of the dielectric layer, where t1 is the thickness of the active layer and t2max is the maximum thickness of the dielectric layer. The relationship between the product t2max · ε2 of the dielectric constant ε2 and the product t1 · ε1 of the thickness t1 of the active layer and the dielectric constant ε1 of the active layer is
t2max ・ ε2> t1 ・ ε1
It satisfies the following conditions.

前記実施形態のヘテロ接合FETよれば、誘電体層の最大厚さt2maxと誘電体層の誘電率ε2との積t2max・ε2を、能動層の厚さt1と能動層の誘電率ε1との積t1・ε1よりも大きくすることによって、電極間の電界分布をより容易に均一化できる。   According to the heterojunction FET of the above embodiment, the product t2max · ε2 of the maximum thickness t2max of the dielectric layer and the dielectric constant ε2 of the dielectric layer is the product of the thickness t1 of the active layer and the dielectric constant ε1 of the active layer. By making it larger than t1 · ε1, the electric field distribution between the electrodes can be made uniform more easily.

また、一実施形態のヘテロ接合FETは、前記電界分布が略均一になるようにした電極間の間隔をLとし、前記誘電体層の最大厚さをt2maxとするとき、前記誘電体層の最大厚さt2maxと前記誘電体層の誘電率ε2との積t2max・ε2と、前記電極の間隔Lと前記能動層の誘電率ε1との積L・ε1との関係は、
t2max・ε2 > L・ε1
の条件を満たすことを特徴とする。
The heterojunction FET of one embodiment has a maximum of the dielectric layer when the distance between the electrodes so that the electric field distribution is substantially uniform is L and the maximum thickness of the dielectric layer is t2max. The relationship between the product t2max · ε2 of the thickness t2max and the dielectric constant ε2 of the dielectric layer, and the product L · ε1 of the gap L between the electrodes and the dielectric constant ε1 of the active layer is:
t2max ・ ε2> L ・ ε1
It satisfies the following conditions.

前記実施形態のヘテロ接合FETよれば、誘電体層の最大厚さt2maxと誘電体層の誘電率ε2との積t2max・ε2を、電極の間隔Lと前記能動層の誘電率ε1との積L・ε1よりも大きくすることによって、電極間の電界分布をより容易に均一化できる。   According to the heterojunction FET of the above embodiment, the product t2max · ε2 of the maximum thickness t2max of the dielectric layer and the dielectric constant ε2 of the dielectric layer is represented by the product L of the electrode spacing L and the dielectric constant ε1 of the active layer. -By making it larger than ε1, the electric field distribution between the electrodes can be made uniform more easily.

また、一実施形態のヘテロ接合FETは、前記能動層の厚さをt1とし、前記誘電体層の最大厚さをt2maxとするとき、前記誘電体層の最大厚さt2maxと前記誘電体層の誘電率ε2との積t2max・ε2と、前記能動層の厚さt1と前記能動層の誘電率ε1との積t1・ε1との関係は、
t2max・ε2 > t1・ε1
の条件を満たすと共に、
前記電界分布が略均一になるようにした電極間の間隔をLとし、前記誘電体層の最大厚さをt2maxとするとき、前記誘電体層の最大厚さt2maxと前記誘電体層の誘電率ε2との積t2max・ε2と、前記電極の間隔Lと前記能動層の誘電率ε1との積L・ε1との関係は、
t2max・ε2 > L・ε1
の条件を満たすことを特徴とする。
The heterojunction FET of one embodiment has a maximum thickness t2max of the dielectric layer and a thickness of the dielectric layer, where t1 is the thickness of the active layer and t2max is the maximum thickness of the dielectric layer. The relationship between the product t2max · ε2 of the dielectric constant ε2 and the product t1 · ε1 of the thickness t1 of the active layer and the dielectric constant ε1 of the active layer is
t2max ・ ε2> t1 ・ ε1
While satisfying the conditions of
When the distance between the electrodes in which the electric field distribution is substantially uniform is L and the maximum thickness of the dielectric layer is t2max, the maximum thickness t2max of the dielectric layer and the dielectric constant of the dielectric layer The relationship between the product t2max · ε2 with ε2 and the product L · ε1 of the gap L between the electrodes and the dielectric constant ε1 of the active layer is
t2max ・ ε2> L ・ ε1
It satisfies the following conditions.

前記実施形態のヘテロ接合FETよれば、誘電体層の最大厚さt2maxと誘電体層の誘電率ε2との積t2max・ε2を、能動層の厚さt1と能動層の誘電率ε1との積t1・ε1よりも大きくし、かつ、誘電体層の最大厚さt2maxと誘電体層の誘電率ε2との積t2max・ε2を、電極の間隔Lと前記能動層の誘電率ε1との積L・ε1よりも大きくすることによって、電極間の電界分布の均一化をさらに確実に行うことができる。   According to the heterojunction FET of the above embodiment, the product t2max · ε2 of the maximum thickness t2max of the dielectric layer and the dielectric constant ε2 of the dielectric layer is the product of the thickness t1 of the active layer and the dielectric constant ε1 of the active layer. The product t2max · ε2 of the maximum thickness t2max of the dielectric layer and the dielectric constant ε2 of the dielectric layer is made larger than t1 · ε1, and the product L of the electrode spacing L and the dielectric constant ε1 of the active layer -By making it larger than ε1, the electric field distribution between the electrodes can be made more uniform.

また、一実施形態のヘテロ接合FETは、前記誘電体層は、段毎に積層数の異なる複数の誘電体層からなる階段状の積層構造をしており、前記誘電体層の各段を構成する誘電体層毎の厚さと誘電率の積の和は、前記電界分布が略均一になるようにした電極の一方から他方に向かって前記誘電体層の段毎に小さくなっていることを特徴とする。   Also, in one embodiment of the heterojunction FET, the dielectric layer has a step-like laminated structure composed of a plurality of dielectric layers having a different number of layers for each stage, and each stage of the dielectric layer is configured. The sum of the product of the thickness and the dielectric constant for each dielectric layer is reduced for each stage of the dielectric layer from one electrode to the other of the electrodes in which the electric field distribution is substantially uniform. And

前記実施形態のヘテロ接合FETよれば、誘電体層の各段を構成する層毎の厚さと誘電率の積の和は、電極の一方から他方に向かって段毎に小さくして、前記電界分布が略均一になるようにすることによって、電極間の電界分布をさらに確実に均一化する階段状の誘電体層を簡単に形成できる。この場合、能動層の半導体がN型である場合は、−電極側から各段の誘電体層毎の厚さと誘電率の積が徐々に小さくなり、P型である場合は、+電極側から各段の誘電体層毎の厚さと誘電率の積が徐々に小さくなる。   According to the heterojunction FET of the above-described embodiment, the sum of the product of the thickness and the dielectric constant of each layer constituting each step of the dielectric layer is reduced step by step from one of the electrodes to the other, and the electric field distribution Is made substantially uniform, it is possible to easily form a step-like dielectric layer that makes the electric field distribution between the electrodes more uniform. In this case, when the semiconductor of the active layer is N-type, the product of the thickness and dielectric constant of each dielectric layer gradually decreases from the negative electrode side, and from the positive electrode side when it is P-type. The product of the thickness and the dielectric constant of each stage dielectric layer gradually decreases.

また、一実施形態のヘテロ接合FETは、前記電界分布が略均一になるようにした電極の一方から他方に向かって前記誘電体層の厚さが薄くなるかまたは前記誘電体層の誘電率が小さくなっていることを特徴とする。   In one embodiment, the heterojunction FET has a thickness of the dielectric layer that decreases from one of the electrodes in which the electric field distribution is substantially uniform toward the other, or a dielectric constant of the dielectric layer. It is characterized by being smaller.

前記実施形態のヘテロ接合FETよれば、電界分布が略均一になるようにした電極の一方から他方に向かって誘電体層の厚さが薄くすることによって、電極間の電界分布をさらに確実に均一化する誘電体層を簡単に形成できる。または、電界分布が略均一になるようにした電極の一方から他方に向かって誘電体層の誘電率が小さくすることによって、電極間の電界分布をさらに確実に均一化する階段状の誘電体層を簡単に形成できる。   According to the heterojunction FET of the above embodiment, the electric field distribution between the electrodes is more surely uniformed by reducing the thickness of the dielectric layer from one of the electrodes in which the electric field distribution is substantially uniform toward the other. The dielectric layer to be converted can be easily formed. Alternatively, a step-like dielectric layer that more reliably equalizes the electric field distribution between the electrodes by reducing the dielectric constant of the dielectric layer from one of the electrodes whose electric field distribution is substantially uniform toward the other. Can be easily formed.

また、一実施形態のヘテロ接合FETは、前記能動層はIII族窒化物系化合物半導体であることを特徴とする。   The heterojunction FET of one embodiment is characterized in that the active layer is a group III nitride compound semiconductor.

前記実施形態のヘテロ接合FETよれば、前記能動層にIII族窒化物系化合物半導体が用いられているデバイスでは、前記誘電体層による電界分布の均一化による効果が特に顕著である。   According to the heterojunction FET of the embodiment, in the device in which the group III nitride compound semiconductor is used for the active layer, the effect of uniforming the electric field distribution by the dielectric layer is particularly remarkable.

また、一実施形態のヘテロ接合FETは、前記誘電体層は、金属酸化物(metallic oxide)のうちの少なくとも一つが含まれていることを特徴とする。   In one embodiment, the heterojunction FET is characterized in that the dielectric layer includes at least one of metallic oxide.

前記実施形態のヘテロ接合FETよれば、前記誘電体層が金属酸化物を含むことによって、誘電率の高い誘電体層を容易に形成することができる。   According to the heterojunction FET of the embodiment, the dielectric layer containing a metal oxide can easily form a dielectric layer having a high dielectric constant.

また、一実施形態のヘテロ接合FETは、前記誘電体層は前記能動層にストレスをかけないように形成されていることを特徴とする。   In one embodiment, the heterojunction FET is characterized in that the dielectric layer is formed so as not to apply stress to the active layer.

前記実施形態のヘテロ接合FETよれば、例えば、強い圧電効果を発揮するIII族窒化物系化合物半導体を能動層に用いた場合、能動層の表面にストレスが発生して2DEGの濃度変化が起こる可能性がある。このような2DEGの濃度変化は、電子デバイスの特性上、望ましくない。従って、誘電体層は能動層の半導体にストレスがかからないように形成するのが望ましい。特に、前記誘電体層をスパッタリングやスピンコート法により形成するのが好ましい。   According to the heterojunction FET of the above embodiment, for example, when a group III nitride compound semiconductor that exhibits a strong piezoelectric effect is used for the active layer, stress may be generated on the surface of the active layer, resulting in a change in the concentration of 2DEG. There is sex. Such a 2DEG concentration change is undesirable in terms of the characteristics of the electronic device. Therefore, it is desirable to form the dielectric layer so that no stress is applied to the semiconductor of the active layer. In particular, the dielectric layer is preferably formed by sputtering or spin coating.

また、この発明の電子デバイスは、
能動層を備えた電子デバイスであって、
前記能動層上に形成された、複数の電極と、誘電体層とを備え、
前記誘電体層の誘電率ε2は前記能動層の誘電率ε1より高いことを特徴とする。
The electronic device of the present invention is
An electronic device with an active layer,
A plurality of electrodes formed on the active layer, and a dielectric layer;
A dielectric constant ε2 of the dielectric layer is higher than a dielectric constant ε1 of the active layer.

前記構成の電子デバイスによれば、前記誘電体層の誘電率ε2を前記能動層の誘電率ε1より高くすることによって、電極間の電界分布を容易に均一化できる。   According to the electronic device having the above configuration, the electric field distribution between the electrodes can be easily uniformed by making the dielectric constant ε2 of the dielectric layer higher than the dielectric constant ε1 of the active layer.

また、一実施形態の電子デバイスは、前記能動層の厚さをt1とし、前記誘電体層の最大厚さをt2maxとするとき、前記誘電体層の最大厚さt2maxと前記誘電体層の誘電率ε2との積t2max・ε2と、前記能動層の厚さt1と前記能動層の誘電率ε1との積t1・ε1との関係は、
t2max・ε2 > t1・ε1
の条件を満たすことを特徴とする。
The electronic device according to an embodiment has a maximum thickness t2max of the dielectric layer and a dielectric of the dielectric layer, where the thickness of the active layer is t1 and the maximum thickness of the dielectric layer is t2max. The relationship between the product t2max · ε2 with the factor ε2 and the product t1 · ε1 with the thickness t1 of the active layer and the dielectric constant ε1 of the active layer is
t2max ・ ε2> t1 ・ ε1
It satisfies the following conditions.

前記実施形態の電子デバイスよれば、誘電体層の最大厚さt2maxと誘電体層の誘電率ε2との積t2max・ε2を、能動層の厚さt1と能動層の誘電率ε1との積t1・ε1よりも大きくすることによって、電極間の電界分布をより容易に均一化できる。   According to the electronic device of the above embodiment, the product t2max · ε2 of the maximum thickness t2max of the dielectric layer and the dielectric constant ε2 of the dielectric layer is the product t1 of the thickness t1 of the active layer and the dielectric constant ε1 of the active layer. -By making it larger than ε1, the electric field distribution between the electrodes can be made uniform more easily.

また、この発明のヘテロ接合FETは、
半導体層からなる能動層上に形成されたゲート電極と、誘電体層と
前記能動層上にかつ前記ゲート電極の両側に形成されたソース電極およびドレイン電極とを備え、
前記誘電体層の誘電率ε2は前記能動層の誘電率ε1より高いことを特徴とする。
The heterojunction FET of the present invention is
A gate electrode formed on an active layer made of a semiconductor layer, a dielectric layer, and a source electrode and a drain electrode formed on the active layer and on both sides of the gate electrode,
A dielectric constant ε2 of the dielectric layer is higher than a dielectric constant ε1 of the active layer.

前記実施形態のヘテロ接合FETよれば、前記誘電体層の誘電率ε2を前記能動層の誘電率ε1より高くすることによって、電極間の電界分布を容易に均一化できる。   According to the heterojunction FET of the embodiment, the electric field distribution between the electrodes can be easily uniformed by making the dielectric constant ε2 of the dielectric layer higher than the dielectric constant ε1 of the active layer.

また、一実施形態のヘテロ接合FETは、前記能動層の厚さをt1とし、前記誘電体層の最大厚さをt2maxとするとき、前記誘電体層の最大厚さt2maxと前記誘電体層の誘電率ε2との積t2max・ε2と、前記能動層の厚さt1と前記能動層の誘電率ε1との積t1・ε1との関係は、
t2max・ε2 > t1・ε1
の条件を満たすことを特徴とする。
The heterojunction FET of one embodiment has a maximum thickness t2max of the dielectric layer and a thickness of the dielectric layer, where t1 is the thickness of the active layer and t2max is the maximum thickness of the dielectric layer. The relationship between the product t2max · ε2 of the dielectric constant ε2 and the product t1 · ε1 of the thickness t1 of the active layer and the dielectric constant ε1 of the active layer is
t2max ・ ε2> t1 ・ ε1
It satisfies the following conditions.

前記実施形態のヘテロ接合FETよれば、誘電体層の最大厚さt2maxと誘電体層の誘電率ε2との積t2max・ε2を、能動層の厚さt1と能動層の誘電率ε1との積t1・ε1よりも大きくすることによって、電極間の電界分布をより容易に均一化できる。   According to the heterojunction FET of the above embodiment, the product t2max · ε2 of the maximum thickness t2max of the dielectric layer and the dielectric constant ε2 of the dielectric layer is the product of the thickness t1 of the active layer and the dielectric constant ε1 of the active layer. By making it larger than t1 · ε1, the electric field distribution between the electrodes can be made uniform more easily.

また、この発明の電子デバイスは、
能動層を備えた電子デバイスであって、
前記能動層上に形成された、複数の電極と、誘電体層とを備え、
前記複数の電極のうちの少なくとも2つの電極間の電界分布の最大値と最小値との差が減少するように、前記能動層上に前記誘電体層が形成されることが望ましい。
The electronic device of the present invention is
An electronic device with an active layer,
A plurality of electrodes formed on the active layer, and a dielectric layer;
The dielectric layer is preferably formed on the active layer so that a difference between a maximum value and a minimum value of an electric field distribution between at least two electrodes of the plurality of electrodes is reduced.

前記電子デバイスによれば、複数の電極のうちの少なくとも2つの電極間の電界分布を略均一にできる。それによって、電界をシールドするためのフィールドプレート構造を用いることなく、高耐圧化が図れる。   According to the electronic device, the electric field distribution between at least two of the plurality of electrodes can be made substantially uniform. As a result, a high breakdown voltage can be achieved without using a field plate structure for shielding an electric field.

また、この発明のヘテロ接合FETは、
半導体層からなる能動層上に形成されたゲート電極と、誘電体層と
前記能動層上にかつ前記ゲート電極の両側に形成されたソース電極およびドレイン電極とを備え、
前記ゲート電極,ソース電極およびドレイン電極のうちの少なくとも2つの電極間の電界分布の最大値と最小値との差が減少するように、前記能動層上に前記誘電体層が形成されることが望ましい。
The heterojunction FET of the present invention is
A gate electrode formed on an active layer made of a semiconductor layer, a dielectric layer, and a source electrode and a drain electrode formed on the active layer and on both sides of the gate electrode,
The dielectric layer may be formed on the active layer so as to reduce a difference between a maximum value and a minimum value of an electric field distribution between at least two of the gate electrode, the source electrode, and the drain electrode. desirable.

前記ヘテロ接合FETよれば、ゲート電極,ソース電極およびドレイン電極のうちの少なくとも2つの電極間の電界分布を略均一にできる。それによって、電界をシールドするためのフィールドプレート構造を用いることなく、高耐圧化が図れる。   According to the heterojunction FET, the electric field distribution between at least two of the gate electrode, the source electrode, and the drain electrode can be made substantially uniform. As a result, a high breakdown voltage can be achieved without using a field plate structure for shielding an electric field.

以上より明らかなように、この発明の電子デバイスおよびヘテロ接合FETによれば、電極間の最大電界が低くなり耐圧が高くすることができる。また、電子デバイスのキャリア濃度が高くても電界の集中が起こらないので、チャネルの抵抗が低いにも係わらず耐圧を高くすることができる。   As is clear from the above, according to the electronic device and the heterojunction FET of the present invention, the maximum electric field between the electrodes can be reduced and the breakdown voltage can be increased. In addition, since electric field concentration does not occur even when the carrier concentration of the electronic device is high, the breakdown voltage can be increased despite the low channel resistance.

この発明は、さまざまな電子デバイス(SAW(Surface Acoustic Wave;表面弾性波)デバイスやMEMS(Micro electro mechanical system;微小電気機械システム)等)に有効であり、能動層の同一面上に2つ以上の電極があって、この電極に電圧が印加されるものにこの発明が有効である。   The present invention is effective for various electronic devices (SAW (Surface Acoustic Wave) devices, MEMS (Micro electro mechanical systems), etc.), and two or more on the same surface of the active layer. The present invention is effective for the case where there is an electrode and a voltage is applied to the electrode.

また、半導体デバイス(FETやダイオード等)では、電界が非常に高くなるので、この発明が特に有効である。さらに、この発明の最も有効であるデバイスはGaN系のヘテロ接合FETである。   In addition, the present invention is particularly effective in a semiconductor device (FET, diode, etc.) because the electric field becomes very high. Further, the most effective device of the present invention is a GaN-based heterojunction FET.

以下、この発明の電子デバイスおよびヘテロ接合FETを図示の実施の形態により詳細に説明する。   The electronic device and the heterojunction FET of the present invention will be described in detail below with reference to the illustrated embodiments.

まず、実施形態を説明する前に、理想的な誘電体層のグレーディングについて説明する。   First, before describing the embodiment, an ideal grading of the dielectric layer will be described.

電位の変化が1次元の場合はマクスウェル(Maxwell)式が次の式(1)のようになる。
E dε/dx + εdE/dx = ρ ……… (1)
When the change in potential is one-dimensional, the Maxwell equation is expressed as the following equation (1).
E dε / dx + εdE / dx = ρ (1)

理想的な場合は、電界の変化が無くて、電界の微分dE/dxがゼロであるので、1次元の場合は誘電体層の誘電率が理想的に次の式(2)のように変わると良い。
dε/dx = ρ/E = ρL/V ……… (2)
In the ideal case, there is no change in the electric field, and the differential dE / dx of the electric field is zero. Therefore, in the one-dimensional case, the dielectric constant of the dielectric layer ideally changes as in the following equation (2). And good.
dε / dx = ρ / E = ρL / V (2)

前記式(2)において、Lは電極の間隔、Vは印加電圧である。   In the formula (2), L is an electrode interval, and V is an applied voltage.

電子デバイスがGaNヘテロ接合FETの場合は式(2)がより詳しく表すことができる。すなわち、GaNヘテロ接合FETでは、電界が最も高い領域はゲート電極とドレイン電極との間にあるので、このゲート電極とドレイン電極との間の領域に誘電体層の膜厚を変化させるグレーディングが有効である。   If the electronic device is a GaN heterojunction FET, equation (2) can be expressed in more detail. That is, in the GaN heterojunction FET, the region where the electric field is highest is between the gate electrode and the drain electrode, and therefore grading that changes the film thickness of the dielectric layer is effective in the region between the gate electrode and the drain electrode. It is.

GaNヘテロ接合FETでは、前記式(2)が次の式(3)のようになる。

Figure 2006128646
In the GaN heterojunction FET, the above equation (2) becomes the following equation (3).
Figure 2006128646

前記式(3)において、yは表面の垂直方向、Nsは半導体層のシート荷電濃度、Ldgはドレイン電極とゲート電極との間隔、Vdgはドレイン・ゲート印加電圧である。   In equation (3), y is the vertical direction of the surface, Ns is the sheet charge concentration of the semiconductor layer, Ldg is the distance between the drain electrode and the gate electrode, and Vdg is the drain-gate applied voltage.

したがって、誘電体層の誘電率が一定の場合、誘電体層の厚さt(x)を理想的に次の式(4)のように変化させたグレーディング構造を形成する。
dt(x)/dx = −q・Ns・Ldg/(ε・Vdg) ……… (4)
Therefore, when the dielectric constant of the dielectric layer is constant, a grading structure is formed in which the thickness t (x) of the dielectric layer is ideally changed as in the following equation (4).
dt (x) / dx = -q · Ns · Ldg / (ε · Vdg) (4)

一方、誘電体の厚さtが一定の場合は誘電率ε(x)を理想的に次の式(5)のように変化させたグレーディング構造を形成する。
dε(x)/dx = −q・Ns・Ldg/(Vdg・t) ……… (5)
On the other hand, when the thickness t of the dielectric is constant, a grading structure is formed in which the dielectric constant ε (x) is ideally changed as in the following equation (5).
dε (x) / dx = -q · Ns · Ldg / (Vdg · t) (5)

前記式(4)と式(5)は誘電率が高い誘電体が電界に最も強い影響を与えると仮定している。この仮定が合うようするには、次の2つの条件を満たす必要がある。
(a) 誘電体層の誘電率ε2が下側の半導体層の誘電率ε1より高い。
(b) 積(ε2・t2)が積(ε1・t1)より高い、または、積(ε2・t2)が積(ε1・Ldg)より高い(t1=誘電体層の厚さ、t2=半導体層の厚さ)。
また、式(3)を積分したら下記の式となる。

Figure 2006128646
この式(6)のCは積分定数である。高誘電膜の厚さと比誘電率がプラスなので、下記の式となる。
Figure 2006128646
従って、比誘電率が一定の場合は、
Figure 2006128646
となる。以上より、理想的なグレーディングを実現するための高誘電膜の厚さと誘電率との積の値は、q・Ns・Ldg2/Vdg以上となる。Vdgは、一般的なデバイスの場合、仕様書に記載されている最大のドレイン・ゲート印加電圧がVdgとなる。 Equations (4) and (5) assume that a dielectric having a high dielectric constant has the strongest influence on the electric field. In order for this assumption to be met, the following two conditions must be satisfied.
(a) The dielectric constant ε2 of the dielectric layer is higher than the dielectric constant ε1 of the lower semiconductor layer.
(b) The product (ε2 · t2) is higher than the product (ε1 · t1) or the product (ε2 · t2) is higher than the product (ε1 · Ldg) (t1 = dielectric layer thickness, t2 = semiconductor layer Thickness).
Further, when the equation (3) is integrated, the following equation is obtained.
Figure 2006128646
C in this equation (6) is an integral constant. Since the thickness of the high dielectric film and the relative dielectric constant are positive, the following equation is obtained.
Figure 2006128646
Therefore, when the relative dielectric constant is constant,
Figure 2006128646
It becomes. From the above, the product of the thickness of the high dielectric film and the dielectric constant for realizing ideal grading is q · Ns · Ldg 2 / Vdg or more. As for Vdg, in the case of a general device, the maximum drain-gate applied voltage described in the specification is Vdg.

実用的には、式(4)または式(5)のような理想的に誘電体層の厚さを変化させるグレーディングまたは誘電率を変化させるグレーディングが困難である。しかし、グレーディングが式(4)または式(5)と近似であれば有効である。   Practically, it is difficult to perform grading that changes the thickness of the dielectric layer ideally or the grading that changes the dielectric constant, such as Expression (4) or Expression (5). However, it is effective if the grading is approximate to Equation (4) or Equation (5).

次に、電極間の電界分布を均一化するのに、効果の高い、最適なグレーディング構造である、誘電体層の厚さを変化させたグレーディング構造の第1実施形態と、誘電体層の誘電率を変化させたグレーディング構造の第2実施形態を説明する。   Next, a first embodiment of a grading structure in which the thickness of the dielectric layer is changed, which is an effective and optimal grading structure for making the electric field distribution between the electrodes uniform, and the dielectric of the dielectric layer A second embodiment of the grading structure in which the rate is changed will be described.

(第1実施形態)
図4はこの発明の第1実施形態の電子デバイスの一例としてのAlGaN/GaN系ヘテロ接合FETの断面図と共に電位を示す図であり、誘電体層の厚さを変化させたグレーディング構造の効果を示している。このヘテロ接合FETの構造は図12と同じであるが、半導体層表面に誘電体層の厚さを変化させたグレーディング構造を形成している。
(First embodiment)
FIG. 4 is a diagram showing a potential along with a cross-sectional view of an AlGaN / GaN heterojunction FET as an example of the electronic device according to the first embodiment of the present invention. The effect of the grading structure with the thickness of the dielectric layer varied is shown. Show. Although the structure of this heterojunction FET is the same as that of FIG. 12, a grading structure in which the thickness of the dielectric layer is changed is formed on the surface of the semiconductor layer.

図4に示すように、サファイア基板401の上に、厚さ3μmのアンドープGaNからなるGaN層402と厚さ20nmのアンドープAl0.5Ga0.5NからなるAl0.5Ga0.5N層403を形成し、そのAl0.5Ga0.5N層403上に、ソースオーミック電極405とゲートショットキー電極406およびドレインオーミック電極407を形成している。前記GaN層402とAlGaN層403で能動層を構成している。 As shown in FIG. 4, on the sapphire substrate 401, Al 0.5 Ga 0.5 made of undoped Al 0.5 Ga 0.5 N of the GaN layer 402 and the thickness of 20nm made of undoped GaN having a thickness of 3μm An N layer 403 is formed, and a source ohmic electrode 405, a gate Schottky electrode 406, and a drain ohmic electrode 407 are formed on the Al 0.5 Ga 0.5 N layer 403. The GaN layer 402 and the AlGaN layer 403 constitute an active layer.

前記Al0.5Ga0.5N層403の上に、誘電率εr=80の誘電体からなる誘電体層408を形成している。この誘電体層408の厚さをt(0)=600nmからt(3μm)=193nmまで変化させてグレーディング構造を形成している。ゲートショットキー電極406とドレインオーミック電極407との間において、グレーディングの程度は式(4)のようである。 A dielectric layer 408 made of a dielectric having a dielectric constant εr = 80 is formed on the Al 0.5 Ga 0.5 N layer 403. The grading structure is formed by changing the thickness of the dielectric layer 408 from t (0) = 600 nm to t (3 μm) = 193 nm. The degree of grading between the gate Schottky electrode 406 and the drain ohmic electrode 407 is as shown in Equation (4).

前記GaN層402とAl0.5Ga0.5N層403の境界の領域に2DEG404が発生する。このときの2DEGの濃度は8×1012cm−2である。ここで、ドレインオーミック電極407とゲートショットキー電極406との間隔Ldgは3μm、ドレイン・ソース印加電圧Vdsは400V、ゲート・ソース印加電圧Vgsは−10Vである。このバイアス条件の場合はヘテロ接合FETがオフ状態(チャネルが空乏化され、電流が流れない状態)である。 A 2DEG 404 is generated at a boundary region between the GaN layer 402 and the Al 0.5 Ga 0.5 N layer 403. At this time, the concentration of 2DEG is 8 × 10 12 cm −2 . Here, the distance Ldg between the drain ohmic electrode 407 and the gate Schottky electrode 406 is 3 μm, the drain-source applied voltage Vds is 400 V, and the gate-source applied voltage Vgs is −10 V. In the case of this bias condition, the heterojunction FET is in the off state (the channel is depleted and no current flows).

この第1実施形態のヘテロ接合FETは、誘電体層408の厚さを変化させたグレーディング構造を形成した場合は電界分布の均一性が良く、最大電界が3.34MV/cmである。   The heterojunction FET according to the first embodiment has a uniform electric field distribution and a maximum electric field of 3.34 MV / cm when a grading structure in which the thickness of the dielectric layer 408 is changed is formed.

この第1実施形態のヘテロ接合FETは、前記第5実施形態のヘテロ接合FETと同様の効果を有する。   The heterojunction FET of the first embodiment has the same effect as the heterojunction FET of the fifth embodiment.

この第1実施形態のヘテロ接合FETよれば、電界分布が略均一になるようにした電極の一方から他方に向かって誘電体層の厚さが薄くすることによって、電極間の電界分布をさらに確実に均一化する誘電体層を簡単に形成することができる。   According to the heterojunction FET of the first embodiment, the electric field distribution between the electrodes is further ensured by reducing the thickness of the dielectric layer from one of the electrodes whose electric field distribution is substantially uniform toward the other. It is possible to easily form a uniform dielectric layer.

(第2実施形態)
図5はこの発明の第2実施形態の電子デバイスの一例としてのAlGaN/GaN系ヘテロ接合FETの断面図と共に電位を示す図であり、誘電体層の誘電率を変化させたグレーディング構造の効果を示している。図5の上側には誘電率εrの変化を示している。
(Second Embodiment)
FIG. 5 is a diagram showing a potential along with a cross-sectional view of an AlGaN / GaN heterojunction FET as an example of an electronic device according to the second embodiment of the present invention. The effect of the grading structure in which the dielectric constant of the dielectric layer is changed is shown. Show. The upper side of FIG. 5 shows a change in the dielectric constant εr.

この第2実施形態のヘテロ接合FETの構造は図12と同じであるが、半導体層表面に誘電率を変化させた誘電体層を形成している。   The structure of the heterojunction FET of the second embodiment is the same as that shown in FIG. 12, but a dielectric layer having a changed dielectric constant is formed on the surface of the semiconductor layer.

図5に示すように、サファイア基板501の上に、厚さ3μmのアンドープGaNからなるGaN層502と厚さ20nmのアンドープAl0.5Ga0.5NからなるAl0.5Ga0.5N層503を形成し、そのAl0.5Ga0.5N層503上に、ソースオーミック電極505とゲートショットキー電極506およびドレインオーミック電極507を形成している。前記GaN層502とAlGaN層503で能動層を構成している。 As shown in FIG. 5, on the sapphire substrate 501, Al 0.5 Ga 0.5 made of undoped Al 0.5 Ga 0.5 N of the GaN layer 502 and the thickness of 20nm made of undoped GaN having a thickness of 3μm An N layer 503 is formed, and a source ohmic electrode 505, a gate Schottky electrode 506, and a drain ohmic electrode 507 are formed on the Al 0.5 Ga 0.5 N layer 503. The GaN layer 502 and the AlGaN layer 503 constitute an active layer.

前記Al0.5Ga0.5N層503の上に、厚さ600nm、誘電率εr=80〜26の誘電体からなる誘電体層508を形成している。誘電体層508の誘電率をεr(0)=80からεr(3μm)=26まで変化させたグレーディング構造を形成している。ゲートショットキー電極506とドレインオーミック電極507との間における誘電体層508のグレーディングの程度は式(5)のようである。 A dielectric layer 508 made of a dielectric having a thickness of 600 nm and a dielectric constant εr = 80 to 26 is formed on the Al 0.5 Ga 0.5 N layer 503. A grading structure in which the dielectric constant of the dielectric layer 508 is changed from εr (0) = 80 to εr (3 μm) = 26 is formed. The degree of grading of the dielectric layer 508 between the gate Schottky electrode 506 and the drain ohmic electrode 507 is expressed by Equation (5).

前記GaN層502とAl0.5Ga0.5N層503の境界の領域に2DEG504が発生する。2DEGの濃度は8×1012cm−2である。ここで、ドレインオーミック電極507とゲートショットキー電極506との間隔Ldgは3μm、ドレイン・ソース印加電圧Vdsは400V、ゲート・ソース印加電圧Vgsは−10Vである。このバイアス条件の場合はヘテロ接合FETがオフ状態(チャネルが空乏化され、電流が流れない状態)である。 A 2DEG 504 is generated at a boundary region between the GaN layer 502 and the Al 0.5 Ga 0.5 N layer 503. The concentration of 2DEG is 8 × 10 12 cm −2 . Here, the distance Ldg between the drain ohmic electrode 507 and the gate Schottky electrode 506 is 3 μm, the drain-source applied voltage Vds is 400 V, and the gate-source applied voltage Vgs is −10 V. In the case of this bias condition, the heterojunction FET is in the off state (the channel is depleted and no current flows).

この第2実施形態のヘテロ接合FETは、誘電体層508の厚さを変化させたグレーディング構造を形成した場合は、電界分布の均一性が良く、最大電界が3.29MV/cmである。   In the heterojunction FET of the second embodiment, when a grading structure in which the thickness of the dielectric layer 508 is changed is formed, the electric field distribution is uniform and the maximum electric field is 3.29 MV / cm.

この第2実施形態のヘテロ接合FETは、前記第5実施形態のヘテロ接合FETと同様の効果を有する。   The heterojunction FET of the second embodiment has the same effect as the heterojunction FET of the fifth embodiment.

この第2実施形態のヘテロ接合FETよれば、電界分布が略均一になるようにした電極の一方から他方に向かって誘電体層の誘電率が小さくすることによって、電極間の電界分布をさらに確実に均一化する階段状の誘電体層を簡単に形成することができる。   According to the heterojunction FET of the second embodiment, the electric field distribution between the electrodes is further ensured by decreasing the dielectric constant of the dielectric layer from one of the electrodes whose electric field distribution is made substantially uniform toward the other. It is possible to easily form a stepped dielectric layer that is uniform.

(第3実施形態)
次に、厚さ及び誘電率が一定で、誘電率が高い誘電体を電子デバイスに形成した第3実施形態を説明する。この第3実施形態は、電極間の電界分布を均一化するのに、最適ではないが、効果はある。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment in which a dielectric having a constant thickness and dielectric constant and a high dielectric constant is formed in an electronic device will be described. Although this third embodiment is not optimal for making the electric field distribution between the electrodes uniform, it is effective.

図6はこの発明の第3実施形態の電子デバイスの一例としてのAlGaN/GaN系ヘテロ接合FETの断面図と共に電位を示す図である。このヘテロ接合FETの構造は図12と同じであるが、半導体層表面には誘電率が高い誘電体層を形成している。   FIG. 6 is a diagram showing a potential together with a cross-sectional view of an AlGaN / GaN heterojunction FET as an example of an electronic device according to a third embodiment of the present invention. Although the structure of this heterojunction FET is the same as that of FIG. 12, a dielectric layer having a high dielectric constant is formed on the surface of the semiconductor layer.

図6に示すように、サファイア基板601の上に、厚さ3μmのアンドープGaNからなるGaN層602と厚さ20nmのアンドープAl0.5Ga0.5NからなるAl0.5Ga0.5N層603を形成し、そのAl0.5Ga0.5N層602上に、ソースオーミック電極605とゲートショットキー電極606およびドレインオーミック電極607を形成している。前記GaN層602とAlGaN層603で能動層を構成している。 As shown in FIG. 6, on the sapphire substrate 601, Al 0.5 Ga 0.5 made of undoped Al 0.5 Ga 0.5 N of the GaN layer 602 and the thickness of 20nm made of undoped GaN having a thickness of 3μm An N layer 603 is formed, and a source ohmic electrode 605, a gate Schottky electrode 606, and a drain ohmic electrode 607 are formed on the Al 0.5 Ga 0.5 N layer 602. The GaN layer 602 and the AlGaN layer 603 constitute an active layer.

前記Al0.5Ga0.5N層603の上に、厚さ600nm、誘電率εr=80の誘電体からなる誘電体層608を形成している。このGaN層602とAl0.5Ga0.5N層603の境界の領域に2DEG604が発生する。このときの2DEGの濃度は8×1012cm−2である。ここで、ドレインオーミック電極607とゲートショットキー電極606との間隔Ldgは3μm、ドレイン・ソース印加電圧Vdsは400V、ゲート・ソース印加電圧Vgsは−10Vである。このバイアス条件の場合は、ヘテロ接合FETがオフ状態(チャネルが空乏化され、電流が流れない状態)である。 A dielectric layer 608 made of a dielectric having a thickness of 600 nm and a dielectric constant εr = 80 is formed on the Al 0.5 Ga 0.5 N layer 603. A 2DEG 604 is generated at the boundary region between the GaN layer 602 and the Al 0.5 GaN 0.5 N layer 603. At this time, the concentration of 2DEG is 8 × 10 12 cm −2 . Here, the distance Ldg between the drain ohmic electrode 607 and the gate Schottky electrode 606 is 3 μm, the drain-source applied voltage Vds is 400 V, and the gate-source applied voltage Vgs is −10 V. In the case of this bias condition, the heterojunction FET is in the off state (the channel is depleted and no current flows).

この第3実施形態のヘテロ接合FETに、誘電率が高い誘電体層608を形成した場合は電界分布の均一性が良いことが分かる。図6の場合は最大電界が3.73MV/cmである。   It can be seen that the uniformity of the electric field distribution is good when the dielectric layer 608 having a high dielectric constant is formed in the heterojunction FET of the third embodiment. In the case of FIG. 6, the maximum electric field is 3.73 MV / cm.

前記構成のヘテロ接合FETによれば、前記GaN層602とAlGaN層603からなる能動層上に形成された誘電体層608に誘電率が高い誘電体を用いることによって、能動層上に形成されたゲートショットキー電極606とドレインオーミック電極607との間の電界分布が略均一にすることが容易にできる。したがって、電界をシールドするためのフィールドプレート構造を用いることなく、簡単な構成で電極間の電界分布を均一にすることにより高耐圧化が実現できる。   According to the heterojunction FET having the above configuration, the dielectric layer 608 formed on the active layer composed of the GaN layer 602 and the AlGaN layer 603 is formed on the active layer by using a dielectric having a high dielectric constant. The electric field distribution between the gate Schottky electrode 606 and the drain ohmic electrode 607 can be easily made substantially uniform. Therefore, a high breakdown voltage can be realized by making the electric field distribution between the electrodes uniform with a simple configuration without using a field plate structure for shielding the electric field.

また、前記誘電体層の誘電率ε2を能動層の誘電率ε1より高くしていることによって、ゲートショットキー電極606とドレインオーミック電極607との間の電界分布を容易に均一化することができる。   Further, by making the dielectric constant ε2 of the dielectric layer higher than the dielectric constant ε1 of the active layer, the electric field distribution between the gate Schottky electrode 606 and the drain ohmic electrode 607 can be easily made uniform. .

(第1比較例)
図7は第1比較例のAlGaN/GaN系ヘテロ接合FETの断面図と共に電位を示す図である。ヘテロ接合FETの構造は図12と同じであるが、ドレイン電極に近い領域だけの半導体層表面に誘電率が高い誘電体層を形成している。
(First comparative example)
FIG. 7 is a diagram showing a potential along with a cross-sectional view of an AlGaN / GaN heterojunction FET of the first comparative example. Although the structure of the heterojunction FET is the same as that of FIG. 12, a dielectric layer having a high dielectric constant is formed on the surface of the semiconductor layer only in a region close to the drain electrode.

図7に示すように、サファイア基板701の上に、厚さ3μmのアンドープGaNからなるGaN層702と厚さ20nmのアンドープAl0.5Ga0.5NからなるAl0.5Ga0.5N層703を形成し、そのAl0.5Ga0.5N層703上に、ソースオーミック電極705とゲートショットキー電極706およびドレインオーミック電極707を形成している。前記GaN層702とAlGaN層703で能動層を構成している。 As shown in FIG. 7, on a sapphire substrate 701, Al 0.5 Ga 0.5 made of undoped Al 0.5 Ga 0.5 N of the GaN layer 702 and the thickness of 20nm made of undoped GaN having a thickness of 3μm An N layer 703 is formed, and a source ohmic electrode 705, a gate Schottky electrode 706, and a drain ohmic electrode 707 are formed on the Al 0.5 Ga 0.5 N layer 703. The GaN layer 702 and the AlGaN layer 703 constitute an active layer.

前記Al0.5Ga0.5N層703の上に、厚さ600nm、幅1μm、誘電率εr=80の誘電体からなる誘電体層708を形成している。このGaN層702とAl0.5Ga0.5N層703の境界の領域に2DEG704が発生する。このときの2DEGの濃度は8×1012cm−2である。ここで、ドレインオーミック電極707とゲートショットキー電極706との間隔Ldgは3μm、ドレイン・ソース印加電圧Vdsは400V、ゲート・ソース印加電圧Vgsは−10Vである。このバイアス条件の場合は、ヘテロ接合FETがオフ状態(チャネルが空乏化され、電流が流れない状態)である。 A dielectric layer 708 made of a dielectric having a thickness of 600 nm, a width of 1 μm, and a dielectric constant εr = 80 is formed on the Al 0.5 Ga 0.5 N layer 703. A 2DEG 704 is generated at the boundary between the GaN layer 702 and the Al 0.5 GaN 0.5 N layer 703. At this time, the concentration of 2DEG is 8 × 10 12 cm −2 . Here, the distance Ldg between the drain ohmic electrode 707 and the gate Schottky electrode 706 is 3 μm, the drain-source applied voltage Vds is 400 V, and the gate-source applied voltage Vgs is −10 V. In the case of this bias condition, the heterojunction FET is in the off state (the channel is depleted and no current flows).

図7と図12を比較したら、誘電率が高い誘電体層708をドレイン電極に近い領域だけの半導体層表面に形成した場合は、電界の均一性が僅かに悪くなることが分かる。図7の場合は最大電界が9.50MV/cmである。   When FIG. 7 is compared with FIG. 12, it can be seen that when the dielectric layer 708 having a high dielectric constant is formed on the surface of the semiconductor layer only in the region close to the drain electrode, the uniformity of the electric field is slightly deteriorated. In the case of FIG. 7, the maximum electric field is 9.50 MV / cm.

(第2比較例)
図8は第2比較例のAlGaN/GaN系ヘテロ接合FETの断面図と共に電位を示す図である。このヘテロ接合FETの構造は図12と同じですが、ゲート電極の近い領域だけの半導体層表面には誘電率が高い誘電体層808が付いている。この誘電体層とゲート電極の間に0.3μmの隙間がある。
(Second comparative example)
FIG. 8 is a diagram showing a potential along with a cross-sectional view of an AlGaN / GaN heterojunction FET of the second comparative example. Although the structure of this heterojunction FET is the same as that of FIG. 12, a dielectric layer 808 having a high dielectric constant is attached to the surface of the semiconductor layer only in the region near the gate electrode. There is a gap of 0.3 μm between the dielectric layer and the gate electrode.

図8に示すように、サファイア基板801の上に、厚さ3μmのアンドープGaNからなるGaN層802と厚さ20nmのアンドープAl0.5Ga0.5NからなるAl0.5Ga0.5N層803を形成し、そのAl0.5Ga0.5N層803上に、ソースオーミック電極805とゲートショットキー電極806およびドレインオーミック電極807を形成している。前記GaN層802とAlGaN層803で能動層を構成している。 As shown in FIG. 8, on the sapphire substrate 801, Al 0.5 Ga 0.5 made of undoped Al 0.5 Ga 0.5 N of the GaN layer 802 and the thickness of 20nm made of undoped GaN having a thickness of 3μm An N layer 803 is formed, and a source ohmic electrode 805, a gate Schottky electrode 806, and a drain ohmic electrode 807 are formed on the Al 0.5 Ga 0.5 N layer 803. The GaN layer 802 and the AlGaN layer 803 constitute an active layer.

前記Al0.5Ga0.5N層803の上に、厚さ600nm、幅1μm、誘電率εr=80の誘電体からなる誘電体層808を形成している。このGaN層802とAl0.5Ga0.5N層803の境界の領域に2DEG804が発生する。このときの2DEGの濃度は8×1012cm−2である。ここで、ドレインオーミック電極807とゲートショットキー電極806との間隔Ldgは3μm、ドレイン・ソース印加電圧Vdsは400V、ゲート・ソース印加電圧Vgsは−10Vである。このバイアス条件の場合は、デバイスがオフ状態(チャネルが空乏化され、電流が流れない状態)である。 A dielectric layer 808 made of a dielectric having a thickness of 600 nm, a width of 1 μm, and a dielectric constant εr = 80 is formed on the Al 0.5 Ga 0.5 N layer 803. A 2DEG 804 is generated in the boundary area between the GaN layer 802 and the Al 0.5 GaN 0.5 N layer 803. At this time, the concentration of 2DEG is 8 × 10 12 cm −2 . Here, the distance Ldg between the drain ohmic electrode 807 and the gate Schottky electrode 806 is 3 μm, the drain-source applied voltage Vds is 400 V, and the gate-source applied voltage Vgs is −10 V. In this bias condition, the device is in an off state (a state where the channel is depleted and no current flows).

図8と図12を比較したら、誘電率が高い誘電体層808をゲートショットキー電極806に近い領域だけの能動層の半導体表面に形成して、高誘電体層808とゲートショットキー電極806の間に隙間が開いた場合は電界分布の均一性が悪くなることが分かる。図8の場合は最大電界が13.47MV/cmである。   Comparing FIG. 8 and FIG. 12, a dielectric layer 808 having a high dielectric constant is formed on the semiconductor surface of the active layer only in a region close to the gate Schottky electrode 806, and the high dielectric layer 808 and the gate Schottky electrode 806 are formed. It can be seen that the uniformity of the electric field distribution deteriorates when there is a gap between them. In the case of FIG. 8, the maximum electric field is 13.47 MV / cm.

(第4実施形態)
誘電率の高い誘電体層は、電極の間の半導体層表面を一部だけに形成しても電界分布に強い影響を与えることがある。図9は誘電体層が半導体層表面の一部だけに形成している効果を示す図である。
(Fourth embodiment)
A dielectric layer having a high dielectric constant may exert a strong influence on the electric field distribution even if the semiconductor layer surface between the electrodes is partially formed. FIG. 9 is a diagram showing the effect that the dielectric layer is formed only on a part of the surface of the semiconductor layer.

図9はこの発明の第4実施形態の電子デバイスの一例としてのAlGaN/GaN系ヘテロ接合ヘテロ接合FETの断面図と共に電位を示す図である。このヘテロ接合FETの構造は図12と同じですが、ゲート電極の周りの領域だけの半導体層表面に誘電率が高い誘電体層を形成している。   FIG. 9 is a diagram showing a potential along with a cross-sectional view of an AlGaN / GaN heterojunction heterojunction FET as an example of the electronic device according to the fourth embodiment of the present invention. Although the structure of this heterojunction FET is the same as that of FIG. 12, a dielectric layer having a high dielectric constant is formed on the surface of the semiconductor layer only in the region around the gate electrode.

図9に示すように、サファイア基板901の上に、厚さ3μmのアンドープGaNからなるGaN層902と厚さ20nmのアンドープAl0.5Ga0.5NからなるAl0.5Ga0.5N層903を形成し、そのAl0.5Ga0.5N層903上に、ソースオーミック電極905とゲートショットキー電極906およびドレインオーミック電極907を形成している。前記GaN層902とAlGaN層903で能動層を構成している。 As shown in FIG. 9, on the sapphire substrate 901, Al 0.5 Ga 0.5 made of undoped Al 0.5 Ga 0.5 N of the GaN layer 902 and the thickness of 20nm made of undoped GaN having a thickness of 3μm An N layer 903 is formed, and a source ohmic electrode 905, a gate Schottky electrode 906, and a drain ohmic electrode 907 are formed on the Al 0.5 Ga 0.5 N layer 903. The GaN layer 902 and the AlGaN layer 903 constitute an active layer.

前記Al0.5Ga0.5N層903の上に、厚さ600nm、幅2μm、誘電率εr=80の誘電体からなる誘電体層908を形成している。このGaN層902とAl0.5Ga0.5N層903の境界の領域に2DEG904が発生する。このときの2DEGの濃度は8×1012cm−2である。ここで、ドレインオーミック電極907とゲートショットキー電極906との間隔Ldgは3μm、ドレイン・ソース印加電圧Vdsは400V、ゲート・ソース印加電圧Vgsは−10Vである。このバイアス条件の場合は、ヘテロ接合FETがオフ状態(チャネルが空乏化され、電流が流れない状態)である。 A dielectric layer 908 made of a dielectric having a thickness of 600 nm, a width of 2 μm, and a dielectric constant εr = 80 is formed on the Al 0.5 Ga 0.5 N layer 903. A 2DEG 904 is generated at the boundary between the GaN layer 902 and the Al 0.5 GaN 0.5 N layer 903. At this time, the concentration of 2DEG is 8 × 10 12 cm −2 . Here, the distance Ldg between the drain ohmic electrode 907 and the gate Schottky electrode 906 is 3 μm, the drain-source applied voltage Vds is 400 V, and the gate-source applied voltage Vgs is −10 V. In the case of this bias condition, the heterojunction FET is in the off state (the channel is depleted and no current flows).

図9と図7,図8の第1,第2比較例を比較したら、誘電率が高い誘電体層908をゲートショットキー電極906の周りの領域だけの能動層の半導体表面に形成した場合は電界分布の均一性が良くなり、最大電界が6.45MV/cmである。   Comparing FIG. 9 with the first and second comparative examples of FIGS. 7 and 8, when the dielectric layer 908 having a high dielectric constant is formed on the semiconductor surface of the active layer only in the region around the gate Schottky electrode 906, The uniformity of the electric field distribution is improved, and the maximum electric field is 6.45 MV / cm.

(第5実施形態)
図1はこの発明の第5実施形態の電子デバイスの一例としてのAlGaN/GaN系ヘテロ接合FETの断面図を示す図である。
(Fifth embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view of an AlGaN / GaN heterojunction FET as an example of an electronic device according to a fifth embodiment of the present invention.

この第5実施形態のヘテロ接合FETは、TiO層を3回重ね合わせて、段毎に積層数の異なる階段状の積層構造の誘電体層を形成している。この階段状の積層構造の誘電体層の厚さの変化が、式(4)のように誘電体層の厚さを変化させたグレーディング構造と近似している。図1に示すヘテロ接合FETは、最大ドレイン・ゲート印加電圧Vdg=410Vに耐えられる構造である。ドレインオーミック電極107とゲートショットキー電極106との間隔Ldgは3μmである。 In the heterojunction FET according to the fifth embodiment, two TiO 2 layers are stacked three times to form a dielectric layer having a stepped stacked structure in which the number of stacked layers is different for each step. The change in the thickness of the dielectric layer in the step-like stacked structure is approximated to a grading structure in which the thickness of the dielectric layer is changed as shown in Equation (4). The heterojunction FET shown in FIG. 1 has a structure that can withstand the maximum drain-gate applied voltage Vdg = 410V. The distance Ldg between the drain ohmic electrode 107 and the gate Schottky electrode 106 is 3 μm.

このヘテロ接合FETの製造方法は概略以下のとおりである。   The manufacturing method of this heterojunction FET is roughly as follows.

まず、サファイア基板101上に、GaN層102とAlGaN層103を順に成長させて形成する。このときの結晶成長方法としてはMBE(Molecular Beam Epitaxy;分子線エピタキシャル)法またはMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition;有機金属気相成長)法が有効である。前記GaN層102とAlGaN層103で能動層を構成している。   First, a GaN layer 102 and an AlGaN layer 103 are grown on a sapphire substrate 101 in order. As a crystal growth method at this time, MBE (Molecular Beam Epitaxy) method or MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method is effective. The GaN layer 102 and the AlGaN layer 103 constitute an active layer.

次に、アイソレーションメサ112をドライエッチングで形成する。   Next, the isolation mesa 112 is formed by dry etching.

次に、AlGaN層103上に、ソースオーミック電極105とドレインオーミック電極107を形成して、コンタクト抵抗が低くなるよう熱処理する。   Next, the source ohmic electrode 105 and the drain ohmic electrode 107 are formed on the AlGaN layer 103, and heat treatment is performed so as to reduce the contact resistance.

次に、AlGaN層103上に、ゲートショットキー電極106を形成する。   Next, a gate Schottky electrode 106 is formed on the AlGaN layer 103.

次に、TiO層を全面にデポして、ウェットエッチングでパターニングを行ってTiO層108を形成する。デポ方法としてはスパッタリングまたはスピンオンプロセスが有効である。スピンオンプロセスの場合はデポした後に熱処理を行う。 Next, the TiO 2 layer is deposited on the entire surface and patterned by wet etching to form the TiO 2 layer 108. As the deposition method, sputtering or spin-on process is effective. In the case of a spin-on process, heat treatment is performed after deposition.

次に、TiO層を全面にデポして、ウェットエッチングでパターニングを行って、TiO層109を形成し、TiO層を全面にデポして、ウェットエッチングでパターニングを行ってTiO層110を形成する。 Then depots TiO 2 layer on the entire surface, by patterning by wet etching to form the TiO 2 layer 109, and depots TiO 2 layer on the entire surface, the TiO 2 layer by patterning by wet etching 110 Form.

この第5実施形態は、TiO層108,109,110の全体の厚さはゲートショットキー電極106とドレインオーミック電極107との間で3段階(各段の幅は1μm)に変わるので、TiO層108,109,110は式(4)のグレーディング構造と近似している。 In the fifth embodiment, the total thickness of the TiO 2 layers 108, 109, and 110 changes in three steps (the width of each step is 1 μm) between the gate Schottky electrode 106 and the drain ohmic electrode 107. The two layers 108, 109, and 110 are approximate to the grading structure of Equation (4).

前記TiO層108とTiO層109およびTiO層110で階段状の積層構造の誘電体層を構成している。このTiOの誘電率はεr=80と高くて、破壊電界が7MV/cmと高いので、この発明に用いる適切な誘電体である。 The TiO 2 layer 108, the TiO 2 layer 109, and the TiO 2 layer 110 constitute a dielectric layer having a stepped laminated structure. Since the dielectric constant of TiO 2 is as high as εr = 80 and the breakdown electric field is as high as 7 MV / cm, it is a suitable dielectric for use in the present invention.

図12に示す従来ヘテロ接合FETの耐圧はシミュレーションによって、111Vであるのに対して、この第5実施形態の図1に示すヘテロ接合FETの耐圧は743Vもある。何れも、2DEG濃度と電子の移動度が同じなので、チャネルの抵抗は同じである。   The withstand voltage of the conventional heterojunction FET shown in FIG. 12 is 111V by simulation, whereas the withstand voltage of the heterojunction FET shown in FIG. 1 of the fifth embodiment is 743V. In either case, since the 2DEG concentration and the electron mobility are the same, the channel resistance is the same.

前記構成のヘテロ接合FETによれば、GaN層102とAlGaN層103からなる能動層上に形成された誘電体層(TiO層108,109,110)に、誘電率が高い誘電体としてTiOを用いることによって、能動層上に形成されたゲートショットキー電極106とドレインオーミック電極107との間の電界分布が略均一にすることが容易にできる。したがって、電界をシールドするためのフィールドプレート構造を用いることなく、簡単な構成で電極間の電界分布を均一にすることにより高耐圧化が実現できる。 According to the heterojunction FET of the structure, GaN layer 102 and AlGaN layer dielectric layer formed on the active layer composed of 103 (TiO 2 layers 108, 109, 110), TiO 2 dielectric constant as high dielectric By using, it is easy to make the electric field distribution between the gate Schottky electrode 106 and the drain ohmic electrode 107 formed on the active layer substantially uniform. Therefore, a high breakdown voltage can be realized by making the electric field distribution between the electrodes uniform with a simple configuration without using a field plate structure for shielding the electric field.

また、前記誘電体層のTiOの誘電率を能動層のGaN,AlGaNの誘電率よりも高くしていることによって、ゲートショットキー電極106とドレインオーミック電極107との間の電界分布を容易に均一化することができる。 In addition, the electric field distribution between the gate Schottky electrode 106 and the drain ohmic electrode 107 is facilitated by making the dielectric constant of TiO 2 of the dielectric layer higher than the dielectric constant of GaN and AlGaN of the active layer. It can be made uniform.

また、階段状の積層構造の誘電体層(TiO層108,109,110)の各段を構成するTiO層毎の厚さと誘電率の積の和を、ゲートショットキー電極106からドレインオーミック電極107に向かって段毎に小さくして、電界分布が略均一になるようにすることによって、電極間の電界分布をより確実に均一化できる階段状の誘電体層を簡単に形成することができる。 Further, the sum of the product of the thickness and the dielectric constant of each TiO 2 layer constituting each step of the dielectric layer (TiO 2 layer 108, 109, 110) having a stepped laminated structure is drain ohmic from the gate Schottky electrode 106. By reducing the size stepwise toward the electrode 107 so that the electric field distribution becomes substantially uniform, it is possible to easily form a step-like dielectric layer that can make the electric field distribution between the electrodes more uniform. it can.

また、前記能動層にIII族窒化物系化合物半導体が用いられているヘテロ接合FETでは、フィールドプレート構造が有効ではなく、誘電体層による電界分布の均一化による効果が特に顕著である。   Further, in a heterojunction FET in which a group III nitride compound semiconductor is used for the active layer, the field plate structure is not effective, and the effect of uniforming the electric field distribution by the dielectric layer is particularly remarkable.

また、前記誘電体層が金属酸化物であるTiOを含むことによって、誘電率の高い誘電体層を容易に形成することができる。 Further, when the dielectric layer contains TiO 2 which is a metal oxide, a dielectric layer having a high dielectric constant can be easily formed.

また、この第5実施形態のヘテロ接合FETは、強い圧電効果を発揮するIII族窒化物系化合物半導体を能動層に用いているので、能動層の表面にストレスが発生して2DEGの濃度変化が起こる可能性がある。このような2DEGの濃度変化は、電子デバイスの特性上、望ましくないので、誘電体層は能動層の半導体にストレスがかからないように形成するのが好ましい。   In addition, since the heterojunction FET of the fifth embodiment uses a group III nitride compound semiconductor that exhibits a strong piezoelectric effect for the active layer, stress is generated on the surface of the active layer, and the concentration change of 2DEG is changed. Can happen. Such a 2DEG concentration change is undesirable in terms of the characteristics of the electronic device. Therefore, the dielectric layer is preferably formed so that no stress is applied to the semiconductor of the active layer.

(第6実施形態)
図2はこの発明の第6実施形態の電子デバイスの一例としてのAlGaN/GaN系ヘテロ接合FETの断面図を示す図である。
(Sixth embodiment)
FIG. 2 is a cross-sectional view of an AlGaN / GaN heterojunction FET as an example of an electronic device according to a sixth embodiment of the present invention.

この第6実施形態のヘテロ接合FETは、3種類の誘電体層を合わせて誘電体層を形成して、合わせた誘電体層の厚さの変化が式(3)のように厚さを変化させたグレーディング構造と近似している。図2の上側には誘電率と厚さの積(εr・t)の変化を示している。図2に示すヘテロ接合FETは、最大ドレイン・ゲート印加電圧Vdg=410Vに耐えられる構造である。ドレイン電極207とゲート電極205との間隔Ldgは3μmである。   In the heterojunction FET of the sixth embodiment, a dielectric layer is formed by combining three types of dielectric layers, and the change in the thickness of the combined dielectric layers changes as shown in the equation (3). It approximates the graded structure. The upper side of FIG. 2 shows a change in the product of dielectric constant and thickness (εr · t). The heterojunction FET shown in FIG. 2 has a structure that can withstand the maximum drain-gate applied voltage Vdg = 410V. The distance Ldg between the drain electrode 207 and the gate electrode 205 is 3 μm.

このヘテロ接合FETの製造方法は概略以下のとおりである。   The manufacturing method of this heterojunction FET is roughly as follows.

図2に示すように、サファイア基板201上に、GaN層202とAlGaN層203を順に成長する。このときの結晶成長方法としてはMBE法またはMOCVD法が有効である。前記GaN層202とAlGaN層203で能動層を構成している。   As shown in FIG. 2, a GaN layer 202 and an AlGaN layer 203 are grown in order on the sapphire substrate 201. As a crystal growth method at this time, the MBE method or the MOCVD method is effective. The GaN layer 202 and the AlGaN layer 203 constitute an active layer.

次に、アイソレーションメサ212をドライエッチングで形成する。   Next, an isolation mesa 212 is formed by dry etching.

次に、AlGaN層203上に、ソース電極205とドレイン電極207を形成して、コンタクト抵抗が低くなるよう熱処理する。   Next, a source electrode 205 and a drain electrode 207 are formed on the AlGaN layer 203, and heat treatment is performed so as to reduce the contact resistance.

次に、AlGaN層203上にゲートショットキー電極206を形成する。   Next, a gate Schottky electrode 206 is formed on the AlGaN layer 203.

次に、TiO層を全面にデポして、ウェットエッチングでパターニングを行ってTiO層208を形成する。デポ方法としてはスパッタリングまたはスピンオンプロセスが有効である。スピンオンプロセスの場合はデポした後に熱処理を行う。 Next, the TiO 2 layer is deposited on the entire surface and patterned by wet etching to form the TiO 2 layer 208. As the deposition method, sputtering or spin-on process is effective. In the case of a spin-on process, heat treatment is performed after deposition.

次に、HfO層を全面にスパッタリングでデポして、ウェットエッチングでパターニングを行ってHfO層209を形成し、SiN層を全面にCVDでデポして、ウェットエッチングでパターニングを行ってSiN層210を形成する。 Next, the HfO 2 layer is deposited on the entire surface by sputtering, and patterned by wet etching to form the HfO 2 layer 209. The SiN 2 layer is deposited on the entire surface by CVD, and patterned by wet etching to form SiN. Two layers 210 are formed.

前記TiO層208とHfO層209およびSiN層210で誘電体層を構成している。前記TiO層208の幅は1μm、HfO層209の幅は1.5μm、SiN層210の幅は0.5μmである。 The TiO 2 layer 208, the HfO 2 layer 209 and the SiN 2 layer 210 constitute a dielectric layer. The TiO 2 layer 208 has a width of 1 μm, the HfO 2 layer 209 has a width of 1.5 μm, and the SiN 2 layer 210 has a width of 0.5 μm.

この第6実施形態のヘテロ接合FETは、誘電体層の全体の誘電率と厚さはゲートショットキー電極206とドレイン電極207との間に3段階で変わるので、式(3)のグレーディング構造と近似している。この第6実施形態の誘電体層に用いる誘電体の誘電率εr、厚さt、積(εr・t)は次のようになる。
TiO : εr=80、t=345nm、(εr・t)=2.76×10−3cm
HfO : εr=25、t=561nm、(εr・t)=1.40×10−3cm
SiN : εr=7.5、t=425nm、(εr・t)=0.32×10−3cm
In the heterojunction FET of the sixth embodiment, since the entire dielectric constant and thickness of the dielectric layer change in three steps between the gate Schottky electrode 206 and the drain electrode 207, the grading structure of the formula (3) Approximate. The dielectric constant εr, thickness t, and product (εr · t) of the dielectric used for the dielectric layer of the sixth embodiment are as follows.
TiO 2 : εr = 80, t = 345 nm, (εr · t) = 2.76 × 10 −3 cm
HfO 2 : εr = 25, t = 561 nm, (εr · t) = 1.40 × 10 −3 cm
SiN 2 : εr = 7.5, t = 425 nm, (εr · t) = 0.32 × 10 −3 cm

ここで、図2の上側のグラフの近似直線の傾きd/dx(εr・t)は、
d/dx(εr・t) = −q・Ns・Ldg/(Vdg・ε0) = −10.6
となる(ここで、ε0は真空の誘電率)。
Here, the slope d / dx (εr · t) of the approximate line in the upper graph of FIG.
d / dx (εr · t) = − q · Ns · Ldg / (Vdg · ε0) = − 10.6
Where ε0 is the dielectric constant of the vacuum.

この第6実施形態のヘテロ接合FETは、前記第5実施形態のヘテロ接合FETと同様の効果を有する。   The heterojunction FET of the sixth embodiment has the same effect as the heterojunction FET of the fifth embodiment.

(第7実施形態)
図3はこの発明の第7実施形態の電子デバイスの一例としてのAlGaN/GaN系ヘテロ接合FETの断面図を示す図である。この第7実施形態のヘテロ接合FETは、誘電率が高い誘電体層と半導体層との間に薄いSiNのパッシベーション層308を挟んでいる。このSiNのパッシベーション層308はAlGaN層303の安定性のためである。SiNのパッシベーション層308は薄くしているので、その上の誘電体層の効果がほとんど減少しない。
(Seventh embodiment)
FIG. 3 is a cross-sectional view of an AlGaN / GaN heterojunction FET as an example of an electronic device according to a seventh embodiment of the present invention. In the heterojunction FET of the seventh embodiment, a thin SiN 2 passivation layer 308 is sandwiched between a dielectric layer having a high dielectric constant and a semiconductor layer. This SiN 2 passivation layer 308 is for the stability of the AlGaN layer 303. Since the SiN 2 passivation layer 308 is thin, the effect of the dielectric layer thereon is hardly reduced.

この第7実施形態はゲートショットキー電極の代わりにMIS(metal−insulator−semiconductor)ゲート電極を用いる。また、ゲート絶縁膜はSiNのパッシベーション層308である。 In the seventh embodiment, a MIS (metal-insulator-semiconductor) gate electrode is used instead of the gate Schottky electrode. The gate insulating film is an SiN 2 passivation layer 308.

図3に示すヘテロ接合FETは、最大ドレイン・ゲート印加電圧Vdg=410Vに耐えられる構造である。ドレイン電極307とゲートショットキー電極306との間隔Ldgは3μmである。   The heterojunction FET shown in FIG. 3 has a structure that can withstand the maximum drain-gate applied voltage Vdg = 410V. The distance Ldg between the drain electrode 307 and the gate Schottky electrode 306 is 3 μm.

このヘテロ接合FETの製造方法は概略以下のとおりである。   The manufacturing method of this heterojunction FET is roughly as follows.

まず、サファイア基板301上に、GaN層302とAlGaN層303を順に成長する。このときの結晶成長方法としてはMBE法またはMOCVD法が有効である。前記GaN層302とAlGaN層303で能動層を構成している。   First, a GaN layer 302 and an AlGaN layer 303 are sequentially grown on the sapphire substrate 301. As a crystal growth method at this time, the MBE method or the MOCVD method is effective. The GaN layer 302 and the AlGaN layer 303 constitute an active layer.

次に、アイソレーションメサ312をドライエッチングで形成する。   Next, an isolation mesa 312 is formed by dry etching.

次に、AlGaN層303に、ソース電極305とドレイン電極307を形成して、コンタクト抵抗が低くなるよう熱処理する。   Next, a source electrode 305 and a drain electrode 307 are formed on the AlGaN layer 303, and heat treatment is performed so as to reduce the contact resistance.

次に、SiN層308を全面にCVDでデポし、ウェットエッチングでパターニングを行う。 Next, the SiN 2 layer 308 is deposited on the entire surface by CVD and patterned by wet etching.

次に、SiN層308上にゲート電極306を形成する。 Next, the gate electrode 306 is formed on the SiN 2 layer 308.

次に、TiO層を全面にデポして、ウェットエッチングのプロセスを3回繰り返してTiO層309を形成し、TiO層309の厚さを3段に変化させたグレーディング構造の誘電体層を形成している。 Then depots TiO 2 layer on the entire surface, repeated 3 times a process of wet etching to form the TiO 2 layer 309, the dielectric layer of the grading structure with varying thickness of the TiO 2 layer 309 in three stages Is forming.

詳しくは、第1回のウェットエッチングでTiO層の一部を約135nmエッチングする。次に、第2回のウェットエッチングでTiO層の別の一部を更に約135nmエッチングを行う。最後に、第3回のウェットエッチングでTiO層の別の一部を更に約135nmエッチングを行うことによりTiO層309を形成する。 Specifically, a part of the TiO 2 layer is etched by about 135 nm by the first wet etching. Next, another portion of the TiO 2 layer is further etched by about 135 nm by the second wet etching. Finally, another portion of the TiO 2 layer is further etched by about 135 nm by the third wet etching to form the TiO 2 layer 309.

この第7実施形態のヘテロ接合FETは、前記第5実施形態のヘテロ接合FETと同様の効果を有する。   The heterojunction FET of the seventh embodiment has the same effect as the heterojunction FET of the fifth embodiment.

(第8実施形態)
図10はこの発明の第8実施形態の電子デバイスの一例としてのショットキーダイオードの断面図である。
(Eighth embodiment)
FIG. 10 is a sectional view of a Schottky diode as an example of an electronic device according to an eighth embodiment of the present invention.

図10に示すように、サファイア基板1001の上に、厚さ50nmのAlNからなるバッファ層1002と厚さ3μmのGaNからなるGaN層1003(不純物濃度1×1017cm-3)を順次形成する。次に、前記GaN層1003上に、Ti/Al/Auからなるカソードオーミック電極1005とWN/Auからなるアノードショットキー電極1006およびTi/Al/Auからなるカソードオーミック電極1007を形成している。さらに、GaN層1003上かつアノードショットキー電極1006の両側に、アノードショットキー電極1006を挟むようにTiOからなる誘電体層1008,1009を形成している。 As shown in FIG. 10, a 50 nm thick AlN buffer layer 1002 and a 3 μm thick GaN layer 1003 (impurity concentration 1 × 10 17 cm −3 ) are sequentially formed on a sapphire substrate 1001. . Next, a cathode ohmic electrode 1005 made of Ti / Al / Au, an anode Schottky electrode 1006 made of WN / Au, and a cathode ohmic electrode 1007 made of Ti / Al / Au are formed on the GaN layer 1003. Further, dielectric layers 1008 and 1009 made of TiO 2 are formed on the GaN layer 1003 and on both sides of the anode Schottky electrode 1006 so as to sandwich the anode Schottky electrode 1006.

前記構成のショットキーダイオードによれば、GaN層1003からなる能動層上に形成された誘電体層1008,1009に誘電率が高い誘電体としてTiOを用いることによって、能動層上に形成されたアノードショットキー電極1006とカソードオーミック電極1005との間およびアノードショットキー電極1006とカソードオーミック電極1007との間の電界分布が略均一にすることが容易にできる。したがって、電界をシールドするためのフィールドプレート構造を用いることなく、簡単な構成で電極間の電界分布を均一にすることにより高耐圧化が実現できる。 According to the Schottky diode having the above configuration, the dielectric layers 1008 and 1009 formed on the active layer made of the GaN layer 1003 are formed on the active layer by using TiO 2 as a dielectric having a high dielectric constant. The electric field distribution between the anode Schottky electrode 1006 and the cathode ohmic electrode 1005 and between the anode Schottky electrode 1006 and the cathode ohmic electrode 1007 can be easily made substantially uniform. Therefore, a high breakdown voltage can be realized by making the electric field distribution between the electrodes uniform with a simple configuration without using a field plate structure for shielding the electric field.

また、前記誘電体層1008,1009の誘電率ε2を能動層のGaN層1003の誘電率ε1より高くしていることによって、アノードショットキー電極1006とカソードオーミック電極1005との間およびアノードショットキー電極1006とカソードオーミック電極1007との間の電界分布を容易に均一化することができる。   Further, by making the dielectric constant ε2 of the dielectric layers 1008, 1009 higher than the dielectric constant ε1 of the active GaN layer 1003, the anode Schottky electrode 1006 and the anode ohmic electrode 1005 are connected. The electric field distribution between 1006 and the cathode ohmic electrode 1007 can be easily made uniform.

前記第1〜第7実施形態では、電子デバイスとしてヘテロ接合FETについて説明し、第8実施形態では、電子デバイスとしてGaNショットキーダイオードについて説明したが、電子デバイスはこれに限らず、ガンダイオードやSAWおよびMEMS等の電子デバイスにこの発明を適用してもよい。   In the first to seventh embodiments, the heterojunction FET has been described as the electronic device. In the eighth embodiment, the GaN Schottky diode has been described as the electronic device. However, the electronic device is not limited to this, and a Gunn diode or SAW is used. The present invention may also be applied to electronic devices such as MEMS.

また、前記第1〜第7実施形態のヘテロ接合FETにおいて、能動層の厚さをt1とし、誘電体層の最大厚さをt2maxとするとき、誘電体層の最大厚さt2maxと誘電体層の誘電率ε2との積t2max・ε2と、能動層の厚さt1と能動層の誘電率ε1との積t1・ε1との関係が、
t2max・ε2 > t1・ε1
の第1の条件を満たすことが好ましい。この場合、誘電体層の最大厚さt2maxと誘電体層の誘電率ε2との積t2max・ε2を、能動層の厚さt1と能動層の誘電率ε1との積t1・ε1よりも大きくすることによって、電極間の電界分布をより容易に均一化できる。
In the heterojunction FETs of the first to seventh embodiments, when the thickness of the active layer is t1 and the maximum thickness of the dielectric layer is t2max, the maximum thickness t2max of the dielectric layer and the dielectric layer The relationship between the product t2max · ε2 of the dielectric constant ε2 and the product t1 · ε1 of the active layer thickness t1 and the dielectric constant ε1 of the active layer is
t2max ・ ε2> t1 ・ ε1
It is preferable that the first condition is satisfied. In this case, the product t2max · ε2 of the maximum thickness t2max of the dielectric layer and the dielectric constant ε2 of the dielectric layer is made larger than the product t1 · ε1 of the thickness t1 of the active layer and the dielectric constant ε1 of the active layer. Thus, the electric field distribution between the electrodes can be more easily uniformized.

さらに、電界分布が略均一になるようにした電極間の間隔をLとし、誘電体層の最大厚さをt2maxとするとき、誘電体層の最大厚さt2maxと誘電体層の誘電率ε2との積t2max・ε2と、電極の間隔Lと能動層の誘電率ε1との積L・ε1との関係が、
t2max・ε2 > L・ε1
の第2の条件を満たすことが好ましい。この場合、誘電体層の最大厚さt2maxと誘電体層の誘電率ε2との積t2max・ε2を、電極の間隔Lと前記能動層の誘電率ε1との積L・ε1よりも大きくすることによって、電極間の電界分布をより容易に均一化できる。
Further, when the distance between the electrodes in which the electric field distribution is made substantially uniform is L and the maximum thickness of the dielectric layer is t2max, the maximum thickness t2max of the dielectric layer and the dielectric constant ε2 of the dielectric layer are The relationship between the product t2max · ε2 and the product L · ε1 of the electrode spacing L and the dielectric constant ε1 of the active layer is
t2max ・ ε2> L ・ ε1
It is preferable that the second condition is satisfied. In this case, the product t2max · ε2 of the maximum thickness t2max of the dielectric layer and the dielectric constant ε2 of the dielectric layer is made larger than the product L · ε1 of the electrode gap L and the dielectric constant ε1 of the active layer. Thus, the electric field distribution between the electrodes can be more easily uniformized.

また、前記第1の条件と第2の条件の両方を満足するのがより好ましい。   More preferably, both the first condition and the second condition are satisfied.

図1はこの発明の第5実施形態の電子デバイスの一例としてのヘテロ接合FETの断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view of a heterojunction FET as an example of an electronic device according to a fifth embodiment of the present invention. 図2はこの発明の第6実施形態の電子デバイスの一例としてのヘテロ接合FETの断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of a heterojunction FET as an example of an electronic device according to a sixth embodiment of the present invention. 図3はこの発明の第7実施形態の電子デバイスの一例としてのヘテロ接合FETの断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of a heterojunction FET as an example of an electronic device according to a seventh embodiment of the present invention. 図4はこの発明の第1実施形態の電子デバイスの一例としてのヘテロ接合FETのデバイス構造と電位を示す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view showing the device structure and potential of a heterojunction FET as an example of the electronic device according to the first embodiment of the present invention. 図5はこの発明の第2実施形態の電子デバイスの一例としてのヘテロ接合FETのデバイス構造と電位を示す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view showing the device structure and potential of a heterojunction FET as an example of an electronic device according to the second embodiment of the present invention. 図6はこの発明の第3実施形態の電子デバイスの一例としてのヘテロ接合FETのデバイス構造と電位を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing the device structure and potential of a heterojunction FET as an example of an electronic device according to the third embodiment of the present invention. 図7はこの発明の第1比較例の電子デバイスとしてのヘテロ接合FETのデバイス構造の例と電位を示す断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view showing an example of the device structure of a heterojunction FET as an electronic device of a first comparative example of the present invention and potential. 図8はこの発明の第2比較例の電子デバイスとしてのヘテロ接合FETのデバイス構造の例と電位を示す断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view showing an example of the device structure of a heterojunction FET as an electronic device of a second comparative example of the present invention and potential. 図9はこの発明の第4実施形態の電子デバイスとしてのヘテロ接合FETのデバイス構造の例と電位を示す断面図である。FIG. 9 is a sectional view showing an example of the device structure and potential of a heterojunction FET as an electronic device according to the fourth embodiment of the present invention. 図10はこの発明の第8実施形態の電子デバイスの一例としてのショットキーダイオードの断面図である。FIG. 10 is a sectional view of a Schottky diode as an example of an electronic device according to an eighth embodiment of the present invention. 図11は従来の電子デバイスとしてのヘテロ接合FETの断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view of a heterojunction FET as a conventional electronic device. 図12は従来のヘテロ接合FETのデバイス構造と電位を示す断面図である。FIG. 12 is a cross-sectional view showing the device structure and potential of a conventional heterojunction FET.

符号の説明Explanation of symbols

101,201,301,401,501,601,1001,1201…サファイア基板
102,202,302,402,502,602,1202…GaN層
103,203,303,403,503,603,1203…Al0.5Ga0.5N層
104,201,301,401,501,601,1201…2DEG
105,205,305,405,505,605,1205…ソースオーミック電極
106,206,406,506,606,1206…ゲートショットキー電極
107,207,307,407,507,607,1207…ドレインオーミック電極
108…TiO
109…TiO
110…TiO
112…アイソレーションメサ
208…TiO
209…HfO
210…SiN
306…ゲート電極
308…SiN
309…HfO
312…アイソレーションメサ
408,508,608,708,808,908,1008,1009…誘電体層
1002…バッファ層
1003…GaN層
1005,1007…カソードオーミック電極
1006…アノードショットキー電極
101, 201, 301, 401, 501, 601, 1001, 1201 ... Sapphire substrate 102, 202, 302, 402, 502, 602, 1202 ... GaN layer
103, 203, 303, 403, 503, 603, 1203 ... Al 0.5 Ga 0.5 N layer
104,201,301,401,501,601,1201 ... 2DEG
105, 205, 305, 405, 505, 605, 1205 ... Source ohmic electrode
106, 206, 406, 506, 606, 1206 ... gate Schottky electrode
107,207,307,407,507,607,1207 ... drain ohmic electrode
108 ... TiO 2 layer 109 ... TiO 2 layer 110 ... TiO 2 layer 112 ... isolation mesa 208 ... TiO 2 layer 209 ... HfO 2 layer 210 ... SiN 2 layer 306 ... Gate electrode
308 ... SiN 2 layer 309 ... HfO 2 layer 312 ... Isolation mesa 408, 508, 608, 708, 808, 908, 1008, 1009 ... Dielectric layer 1002 ... Buffer layer 1003 ... GaN layer 1005, 1007 ... Cathode ohmic electrode 1006 ... Anode Schottky electrode

Claims (24)

能動層を備えた電子デバイスであって、
前記能動層上に形成された複数の電極と、
前記複数の電極うちの少なくとも2つの電極間の電界分布が略均一になるように、前記能動層上に形成された誘電体層とを備えたことを特徴とする電子デバイス。
An electronic device with an active layer,
A plurality of electrodes formed on the active layer;
An electronic device comprising: a dielectric layer formed on the active layer so that an electric field distribution between at least two of the plurality of electrodes is substantially uniform.
請求項1に記載の電子デバイスにおいて、
前記誘電体層の誘電率ε2は前記能動層の誘電率ε1より高いことを特徴とする電子デバイス。
The electronic device according to claim 1.
The electronic device according to claim 1, wherein a dielectric constant ε2 of the dielectric layer is higher than a dielectric constant ε1 of the active layer.
請求項2に記載の電子デバイスにおいて、
前記能動層の厚さをt1とし、前記誘電体層の最大厚さをt2maxとするとき、前記誘電体層の最大厚さt2maxと前記誘電体層の誘電率ε2との積t2max・ε2と、前記能動層の厚さt1と前記能動層の誘電率ε1との積t1・ε1との関係は、
t2max・ε2 > t1・ε1
の条件を満たすことを特徴とする電子デバイス。
The electronic device according to claim 2.
When the thickness of the active layer is t1, and the maximum thickness of the dielectric layer is t2max, the product t2max · ε2 of the maximum thickness t2max of the dielectric layer and the dielectric constant ε2 of the dielectric layer; The relationship between the thickness t1 of the active layer and the product t1 · ε1 of the dielectric constant ε1 of the active layer is:
t2max ・ ε2> t1 ・ ε1
An electronic device characterized by satisfying the following conditions.
請求項2に記載の電子デバイスにおいて、
前記電界分布が略均一になるようにした電極間の間隔をLとし、前記誘電体層の最大厚さをt2maxとするとき、前記誘電体層の最大厚さt2maxと前記誘電体層の誘電率ε2との積t2max・ε2と、前記電極の間隔Lと前記能動層の誘電率ε1との積L・ε1との関係は、
t2max・ε2 > L・ε1
の条件を満たすことを特徴とする電子デバイス。
The electronic device according to claim 2.
When the distance between the electrodes in which the electric field distribution is substantially uniform is L and the maximum thickness of the dielectric layer is t2max, the maximum thickness t2max of the dielectric layer and the dielectric constant of the dielectric layer The relationship between the product t2max · ε2 with ε2 and the product L · ε1 of the gap L between the electrodes and the dielectric constant ε1 of the active layer is
t2max ・ ε2> L ・ ε1
An electronic device characterized by satisfying the following conditions.
請求項2に記載の電子デバイスにおいて、
前記能動層の厚さをt1とし、前記誘電体層の最大厚さをt2maxとするとき、前記誘電体層の最大厚さt2maxと前記誘電体層の誘電率ε2との積t2max・ε2と、前記能動層の厚さt1と前記能動層の誘電率ε1との積t1・ε1との関係は、
t2max・ε2 > t1・ε1
の条件を満たすと共に、
前記電界分布が略均一になるようにした電極間の間隔をLとし、前記誘電体層の最大厚さをt2maxとするとき、前記誘電体層の最大厚さt2maxと前記誘電体層の誘電率ε2との積t2max・ε2と、前記電極の間隔Lと前記能動層の誘電率ε1との積L・ε1との関係は、
t2max・ε2 > L・ε1
の条件を満たすことを特徴とする電子デバイス。
The electronic device according to claim 2.
When the thickness of the active layer is t1, and the maximum thickness of the dielectric layer is t2max, the product t2max · ε2 of the maximum thickness t2max of the dielectric layer and the dielectric constant ε2 of the dielectric layer; The relationship between the thickness t1 of the active layer and the product t1 · ε1 of the dielectric constant ε1 of the active layer is:
t2max ・ ε2> t1 ・ ε1
While satisfying the conditions of
When the distance between the electrodes in which the electric field distribution is substantially uniform is L and the maximum thickness of the dielectric layer is t2max, the maximum thickness t2max of the dielectric layer and the dielectric constant of the dielectric layer The relationship between the product t2max · ε2 with ε2 and the product L · ε1 of the gap L between the electrodes and the dielectric constant ε1 of the active layer is
t2max ・ ε2> L ・ ε1
An electronic device characterized by satisfying the following conditions.
請求項1乃至5のいずれか1つに記載の電子デバイスにおいて、
前記誘電体層は、段毎に積層数の異なる階段状の積層構造をしており、
前記誘電体層の各段における層の厚さと誘電率の積の和は、前記電界分布が略均一になるようにした電極の一方から他方に向かって小さくなっていることを特徴とする電子デバイス。
The electronic device according to any one of claims 1 to 5,
The dielectric layer has a step-like stacked structure in which the number of layers is different for each step,
The sum of the product of the layer thickness and the dielectric constant at each stage of the dielectric layer is reduced from one of the electrodes in which the electric field distribution is substantially uniform toward the other. .
請求項1乃至5のいずれか1つに記載の電子デバイスにおいて、
前記電界分布が略均一になるようにした電極の一方から他方に向かって前記誘電体層の厚さが薄くなるかまたは前記誘電体層の誘電率が小さくなっていることを特徴とする電子デバイス。
The electronic device according to any one of claims 1 to 5,
An electronic device characterized in that the thickness of the dielectric layer decreases from one electrode to the other of the electrodes in which the electric field distribution is substantially uniform, or the dielectric constant of the dielectric layer decreases. .
請求項1乃至7のいずれか1つに記載の電子デバイスにおいて、
前記能動層がIII族窒化物系化合物半導体であることを特徴とする電子デバイス。
The electronic device according to any one of claims 1 to 7,
An electronic device, wherein the active layer is a group III nitride compound semiconductor.
請求項1乃至8のいずれか1つに記載の電子デバイスにおいて、
前記誘電体層が金属酸化物を含むことを特徴とする電子デバイス。
The electronic device according to any one of claims 1 to 8,
The electronic device, wherein the dielectric layer includes a metal oxide.
請求項1乃至9のいずれか1つに記載の電子デバイスにおいて、
前記誘電体層が前記能動層にストレスをかけないように形成されていることを特徴とする電子デバイス。
The electronic device according to any one of claims 1 to 9,
The electronic device, wherein the dielectric layer is formed so as not to apply stress to the active layer.
半導体からなる能動層上に形成されたゲート電極と、
前記能動層上にかつ前記ゲート電極の両側に形成されたソース電極およびドレイン電極と、
前記ソース電極または前記ドレイン電極の少なくとも一方と前記ゲート電極との間の電界分布が略均一になるように、前記能動層上に形成された誘電体層とを備えたことを特徴とするヘテロ接合FET。
A gate electrode formed on an active layer made of a semiconductor;
A source electrode and a drain electrode formed on the active layer and on both sides of the gate electrode;
A heterojunction comprising a dielectric layer formed on the active layer such that an electric field distribution between at least one of the source electrode or the drain electrode and the gate electrode is substantially uniform. FET.
請求項11に記載のヘテロ接合FETにおいて、
前記誘電体層の誘電率ε2は前記能動層の誘電率ε1より高いことを特徴とするヘテロ接合FET。
The heterojunction FET according to claim 11,
The heterojunction FET, wherein the dielectric layer has a dielectric constant ε2 higher than a dielectric constant ε1 of the active layer.
請求項12に記載のヘテロ接合FETにおいて、
前記能動層の厚さをt1とし、前記誘電体層の最大厚さをt2maxとするとき、前記誘電体層の最大厚さt2maxと前記誘電体層の誘電率ε2との積t2max・ε2と、前記能動層の厚さt1と前記能動層の誘電率ε1との積t1・ε1との関係は、
t2max・ε2 > t1・ε1
の条件を満たすことを特徴とするヘテロ接合FET。
The heterojunction FET according to claim 12,
When the thickness of the active layer is t1, and the maximum thickness of the dielectric layer is t2max, the product t2max · ε2 of the maximum thickness t2max of the dielectric layer and the dielectric constant ε2 of the dielectric layer; The relationship between the thickness t1 of the active layer and the product t1 · ε1 of the dielectric constant ε1 of the active layer is:
t2max ・ ε2> t1 ・ ε1
A heterojunction FET characterized by satisfying the following conditions.
請求項12に記載のヘテロ接合FETにおいて、
前記電界分布が略均一になるようにした電極間の間隔をLとし、前記誘電体層の最大厚さをt2maxとするとき、前記誘電体層の最大厚さt2maxと前記誘電体層の誘電率ε2との積t2max・ε2と、前記電極の間隔Lと前記能動層の誘電率ε1との積L・ε1との関係は、
t2max・ε2 > L・ε1
の条件を満たすことを特徴とするヘテロ接合FET。
The heterojunction FET according to claim 12,
When the distance between the electrodes in which the electric field distribution is substantially uniform is L and the maximum thickness of the dielectric layer is t2max, the maximum thickness t2max of the dielectric layer and the dielectric constant of the dielectric layer The relationship between the product t2max · ε2 with ε2 and the product L · ε1 of the gap L between the electrodes and the dielectric constant ε1 of the active layer is
t2max ・ ε2> L ・ ε1
A heterojunction FET characterized by satisfying the following conditions.
請求項12に記載のヘテロ接合FETにおいて、
前記能動層の厚さをt1とし、前記誘電体層の最大厚さをt2maxとするとき、前記誘電体層の最大厚さt2maxと前記誘電体層の誘電率ε2との積t2max・ε2と、前記能動層の厚さt1と前記能動層の誘電率ε1との積t1・ε1との関係は、
t2max・ε2 > t1・ε1
の条件を満たすと共に、
前記電界分布が略均一になるようにした電極間の間隔をLとし、前記誘電体層の最大厚さをt2maxとするとき、前記誘電体層の最大厚さt2maxと前記誘電体層の誘電率ε2との積t2max・ε2と、前記電極の間隔Lと前記能動層の誘電率ε1との積L・ε1との関係は、
t2max・ε2 > L・ε1
の条件を満たすことを特徴とするヘテロ接合FET。
The heterojunction FET according to claim 12,
When the thickness of the active layer is t1, and the maximum thickness of the dielectric layer is t2max, the product t2max · ε2 of the maximum thickness t2max of the dielectric layer and the dielectric constant ε2 of the dielectric layer; The relationship between the thickness t1 of the active layer and the product t1 · ε1 of the dielectric constant ε1 of the active layer is:
t2max ・ ε2> t1 ・ ε1
While satisfying the conditions of
When the distance between the electrodes in which the electric field distribution is substantially uniform is L and the maximum thickness of the dielectric layer is t2max, the maximum thickness t2max of the dielectric layer and the dielectric constant of the dielectric layer The relationship between the product t2max · ε2 with ε2 and the product L · ε1 of the gap L between the electrodes and the dielectric constant ε1 of the active layer is
t2max ・ ε2> L ・ ε1
A heterojunction FET characterized by satisfying the following conditions.
請求項11乃至15のいずれか1つに記載のヘテロ接合FETにおいて、
前記誘電体層は、段毎に積層数の異なる階段状の積層構造をしており、
前記誘電体層の各段における層の厚さと誘電率の積の和は、前記電界分布が略均一になるようにした電極の一方から他方に向かって小さくなっていることを特徴とするヘテロ接合FET。
The heterojunction FET according to any one of claims 11 to 15,
The dielectric layer has a step-like stacked structure in which the number of layers is different for each step,
The sum of the product of the layer thickness and the dielectric constant at each stage of the dielectric layer is reduced from one of the electrodes in which the electric field distribution is substantially uniform toward the other. FET.
請求項11乃至16のいずれか1つに記載のヘテロ接合FETにおいて、
前記電界分布が略均一になるようにした電極の一方から他方に向かって前記誘電体層の厚さが薄くなるかまたは前記誘電体層の誘電率が小さくなっていることを特徴とするヘテロ接合FET。
The heterojunction FET according to any one of claims 11 to 16,
A heterojunction characterized in that the thickness of the dielectric layer decreases from one electrode to the other of the electrodes in which the electric field distribution is substantially uniform, or the dielectric constant of the dielectric layer decreases. FET.
請求項11乃至17のいずれか1つに記載のヘテロ接合FETにおいて、
前記能動層はIII族窒化物系化合物半導体であることを特徴とするヘテロ接合FET。
The heterojunction FET according to any one of claims 11 to 17,
The heterojunction FET, wherein the active layer is a group III nitride compound semiconductor.
請求項11乃至18のいずれか1つに記載のヘテロ接合FETにおいて、
前記誘電体層は、金属酸化物のうちの少なくとも一つが含まれていることを特徴とするヘテロ接合FET。
The heterojunction FET according to any one of claims 11 to 18,
The heterojunction FET, wherein the dielectric layer includes at least one of metal oxides.
請求項11乃至19のいずれか1つに記載のヘテロ接合FETにおいて、
前記誘電体層は前記能動層にストレスをかけないように形成されていることを特徴とするヘテロ接合FET。
The heterojunction FET according to any one of claims 11 to 19,
The heterojunction FET, wherein the dielectric layer is formed so as not to apply stress to the active layer.
能動層を備えた電子デバイスであって、
前記能動層上に形成された、複数の電極と、誘電体層とを備え、
前記誘電体層の誘電率ε2は前記能動層の誘電率ε1より高いことを特徴とする電子デバイス。
An electronic device with an active layer,
A plurality of electrodes formed on the active layer, and a dielectric layer;
The electronic device according to claim 1, wherein a dielectric constant ε2 of the dielectric layer is higher than a dielectric constant ε1 of the active layer.
請求項21に記載の電子デバイスにおいて、
前記能動層の厚さをt1とし、前記誘電体層の最大厚さをt2maxとするとき、前記誘電体層の最大厚さt2maxと前記誘電体層の誘電率ε2との積t2max・ε2と、前記能動層の厚さt1と前記能動層の誘電率ε1との積t1・ε1との関係は、
t2max・ε2 > t1・ε1
の条件を満たすことを特徴とする電子デバイス。
The electronic device according to claim 21, wherein
When the thickness of the active layer is t1, and the maximum thickness of the dielectric layer is t2max, the product t2max · ε2 of the maximum thickness t2max of the dielectric layer and the dielectric constant ε2 of the dielectric layer; The relationship between the thickness t1 of the active layer and the product t1 · ε1 of the dielectric constant ε1 of the active layer is:
t2max ・ ε2> t1 ・ ε1
An electronic device characterized by satisfying the following conditions.
半導体層からなる能動層上に形成されたゲート電極と、誘電体層と
前記能動層上にかつ前記ゲート電極の両側に形成されたソース電極およびドレイン電極とを備え、
前記誘電体層の誘電率ε2は前記能動層の誘電率ε1より高いことを特徴とするヘテロ接合FET。
A gate electrode formed on an active layer made of a semiconductor layer, a dielectric layer, and a source electrode and a drain electrode formed on the active layer and on both sides of the gate electrode,
The heterojunction FET, wherein the dielectric layer has a dielectric constant ε2 higher than a dielectric constant ε1 of the active layer.
請求項23に記載のヘテロ接合FETにおいて、
前記能動層の厚さをt1とし、前記誘電体層の最大厚さをt2maxとするとき、前記誘電体層の最大厚さt2maxと前記誘電体層の誘電率ε2との積t2max・ε2と、前記能動層の厚さt1と前記能動層の誘電率ε1との積t1・ε1との関係は、
t2max・ε2 > t1・ε1
の条件を満たすことを特徴とするヘテロ接合FET。
The heterojunction FET according to claim 23,
When the thickness of the active layer is t1, and the maximum thickness of the dielectric layer is t2max, the product t2max · ε2 of the maximum thickness t2max of the dielectric layer and the dielectric constant ε2 of the dielectric layer; The relationship between the thickness t1 of the active layer and the product t1 · ε1 of the dielectric constant ε1 of the active layer is:
t2max ・ ε2> t1 ・ ε1
A heterojunction FET characterized by satisfying the following conditions.
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