JP2008277598A - Field effect transistor - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は電界効果トランジスタに関し、より詳しくは、ヘテロ構造を有するパワー電界効果トランジスタに関する。 The present invention relates to a field effect transistor, and more particularly to a power field effect transistor having a heterostructure.
従来、電界効果トランジスタとしては、図4に示すようなHFET(Heterostructure Field Effect Transistor;ヘテロ構造電界効果トランジスタ)が知られている(例えば、非特許文献1(アディヴァラハン(Adivarahan)ら著、「サブミクロンゲートSi3N4/AlGaN/GaN−金属−絶縁体−半導体ヘテロ構造電界効果トランジスタ(Submicron Gate Si3N4/AlGaN/GaN-Metal-Insulator-Semiconductor Heterostructure Field-Effect Transistors)」、アイ・イー・イー・イー、エレクトロン・デバイス・レターズ(IEEE Electron Device Letters)、Vol.24, No.9, pp.541-543, 2003参照。)。このHFETでは、SiC基板2001の上に、AlNバッファ層(厚さ500Å)2002、アンドープGaNからなるチャネル層(厚さ1.5μm)2003、Al0.25Ga0.75Nからなる層(厚さ250Å)2004が順次形成され、その上に、Ti/Al/Auソースオーミック電極2005とTi/Al/Auドレインオーミック電極2006とが互いに離間して形成されている。ソースオーミック電極2005とドレインオーミック電極2006との間のAl0.25Ga0.75Nからなる層2004上にSi3N4ゲート絶縁膜(厚さ80Å)2008が形成され、このゲート絶縁膜2008上にゲート電極2010が形成されている。このデバイスはn−チャネルの「ノーマリオン」型で閾値電圧が約−6.5Vである。なお、ノーマリオンとは、ゼロバイアスされたゲート(金属電極)の直下のチャネル領域をキャリア(この例では2次元電子ガス)が横切って移動しうる構成を意味する。動作時には、ソース電極2005は接地(グランド)され、ドレイン電極2006は図示しない負荷回路に接続される。そして、ゲート電極2010にゲート駆動信号が入力されて、ドレイン電極2006から負荷回路へ出力が取り出される。
Conventionally, an HFET (Heterostructure Field Effect Transistor) as shown in FIG. 4 is known as a field effect transistor (for example, Non-Patent Document 1 (Adivarahan et al., “ submicron gate Si 3 N 4 / AlGaN / GaN- metal - insulator - semiconductor heterostructure field effect transistor (submicron gate Si 3 N 4 / AlGaN / GaN-metal-insulator-semiconductor heterostructure field-effect transistors) "eye (Refer to IEEE Electron Device Letters, Vol. 24, No. 9, pp. 541-543, 2003.) In this HFET, an AlN buffer is formed on a
図6は、図4に示したHFETを4個(それぞれ符号2101A、2101B、2101C、2101Dで示す。)用いて構成された「Hブリッジ」スイッチング回路を示している。このスイッチング回路は、4個のHFET2101A、2101B、2101C、2101Dを所定のタイミングでオン、オフ制御するドライバ回路2100と、それらのHFET2101A、2101B、2101C、2101Dに対してそれぞれ逆並列に接続されたフリーホイール用ダイオード2102A、2102B、2102C、2102Dとを含んでいる。これらのフリーホイール用ダイオード2102A、2102B、2102C、2102Dは、対応するHFET2101A、2101B、2101C、2101Dがオン状態で、ドレイン電圧が切り替わって絶対値が大きい負値になった場合(インダクタンス負荷のときに生ずる)に、逆方向のドレイン電流(トランジスタ内から掃き捨てられる電荷)をバイパスするために設けられている。2103はインダクタンス負荷を示している。なお、単にこれらのフリーホイール用ダイオードを省略すると、HFETのゲートに順バイアスがかかって、HFETが破壊される可能性がある。
しかしながら、図4に示したHFETには、次のような問題がある。 However, the HFET shown in FIG. 4 has the following problems.
i) このトランジスタ(HFET)がオフ状態で高いドレイン・ソース間電圧が印加されてドレイン・ゲート間電圧が高くなっているとき、インパクトイオン化によって生じたホール(正孔)がアバランシェ(なだれ)増倍されてゲート電極2010直下のゲート絶縁膜2008の下に集まる。このため、望まれないのにトランジスタがオンする、つまりブレイクダウン電圧(耐圧)が低いという問題がある。
i) When the transistor (HFET) is off and a high drain-source voltage is applied and the drain-gate voltage is high, holes generated by impact ionization are avalanche multiplied. As a result, they gather under the
ii) そのようなインパクトイオン化によって生じたホールがホットホールとなってゲート電極2010直下のゲート絶縁膜2008に注入されてトラップされる。このため、閾値電圧が安定しないという問題がある。
ii) Holes generated by such impact ionization become hot holes that are injected into the
iii) ゲート電極についての遷移電流が大きいという問題がある。すなわち、通常のパワースイッチング動作時には、HFETのソース・ドレイン間電圧は低電圧から高電圧まで周期的に振動する。このソース・ドレイン間電圧の大部分はゲート・ドレイン間にかかる(電圧降下)ため、スイッチングに伴ってゲート電極に大量の電荷が蓄積または放出される。この遷移的な電荷の流れ、つまり遷移電流は、ドライバ回路(例えば図6中に示したようなドライバ回路2100)によって供給されなければならない。高速スイッチング動作を行う場合、この遷移電流は非常に大きくなり、この結果、そのHFETを駆動するドライバ回路の消費電力が大きくなる。また、ドライバ回路が十分な電流供給ができなければ、HFETの消費電力が大きくなる。
iii) There is a problem that the transition current for the gate electrode is large. That is, during normal power switching operation, the source-drain voltage of the HFET oscillates periodically from a low voltage to a high voltage. Since most of the source-drain voltage is applied between the gate and drain (voltage drop), a large amount of charge is accumulated or released in the gate electrode in accordance with switching. This transitional charge flow, i.e., transition current, must be supplied by a driver circuit (e.g.,
そこで、この発明の課題は、ブレイクダウン電圧が高く、閾値電圧が安定で、かつゲート電極についての遷移電流が小さい電界効果トランジスタを提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a field effect transistor having a high breakdown voltage, a stable threshold voltage, and a small transition current for the gate electrode.
上記課題を解決するため、この発明の電界効果トランジスタは、
半導体層上でこの半導体層の表面に沿って互いに離間した位置に、それぞれ金属電極を有するソース、第1ゲート、第2ゲート、ドレインをこの順に備え、
上記第1ゲートはMIS型であり、上記第2ゲートはショットキ型であることを特徴とする。
In order to solve the above problems, the field effect transistor of the present invention is
A source having a metal electrode, a first gate, a second gate, and a drain are provided in this order at positions spaced apart from each other along the surface of the semiconductor layer on the semiconductor layer,
The first gate is a MIS type, and the second gate is a Schottky type.
この発明の電界効果トランジスタでは、典型的な動作時には、第1ゲートに高周波信号(スイッチング用の駆動信号や増幅されるべき高周波入力信号を含む。)が印加され、第2ゲートにDCバイアスが印加(または接地)される。 In the field effect transistor of the present invention, during a typical operation, a high frequency signal (including a switching drive signal and a high frequency input signal to be amplified) is applied to the first gate, and a DC bias is applied to the second gate. (Or ground).
ここで、このトランジスタがオフ状態で高いドレイン・ソース間電圧が印加されてドレイン・第2ゲート間電圧が高くなっているとき、従来例と同様に、インパクトイオン化によってチャネル領域にホール(正孔)(およびそのホールと対をなす電子)が生じることがある。しかしながら、このトランジスタでは、生じたホールはショットキ型の第2ゲートの方へ掃き寄せられて、吸収される。したがって、トランジスタがオンにならず、ブレイクダウン電圧(耐圧)が高くなる。 Here, when a high drain-source voltage is applied while the transistor is off and the drain-second gate voltage is high, a hole (hole) is formed in the channel region by impact ionization as in the conventional example. (And electrons paired with the hole) may occur. However, in this transistor, the generated holes are swept toward the Schottky second gate and absorbed. Therefore, the transistor is not turned on, and the breakdown voltage (withstand voltage) increases.
また、インパクトイオン化によって生じたホール(ホットホール)は、そのようにショットキ型の第2ゲートの方へ掃き寄せられて、吸収されるので、第1ゲートをなすゲート絶縁膜に注入されてトラップされることがない。したがって、このトランジスタの閾値電圧が安定する。 Further, holes (hot holes) generated by impact ionization are swept up and absorbed toward the Schottky type second gate, so that they are injected and trapped in the gate insulating film forming the first gate. There is nothing to do. Therefore, the threshold voltage of this transistor is stabilized.
さらに、ソース、第1ゲート、第2ゲート、ドレインはこの順に並んでいるため、ソース・ドレイン間電圧の大部分は第2ゲートとドレインとの間にかかる(電圧降下)。したがって、第1ゲートにかかる電圧の大きさが制限されて、第1ゲートについての遷移電流は比較的小さくなる。この結果、スイッチング動作時にこの電界効果トランジスタを駆動するドライバ回路の消費電力が小さくなる。第2ゲートについては、DCバイアスが印加(または接地)されるので、ドライバ回路の負担は生じない。 Furthermore, since the source, the first gate, the second gate, and the drain are arranged in this order, most of the source-drain voltage is applied between the second gate and the drain (voltage drop). Therefore, the magnitude of the voltage applied to the first gate is limited, and the transition current for the first gate is relatively small. As a result, the power consumption of the driver circuit that drives the field effect transistor during the switching operation is reduced. Since the DC bias is applied (or grounded) to the second gate, the driver circuit is not burdened.
一実施形態の電界効果トランジスタでは、上記第1ゲートはノーマリオフ、上記第2ゲートはノーマリオンになっていることを特徴とする。 In one embodiment, the first gate is normally off and the second gate is normally on.
「ノーマリオン」とは、ゼロバイアスされたそのゲート(金属電極)の直下のチャネル領域をキャリアが横切って移動しうる構成を意味する。「ノーマリオフ」とは、ゼロバイアスされたそのゲート(金属電極)の直下のチャネル領域をキャリアが横切って移動できない構成を意味する。 “Normally-on” means a configuration in which carriers can move across a channel region immediately below the gate (metal electrode) that is zero-biased. “Normally off” means a configuration in which carriers cannot move across a channel region immediately below the zero-biased gate (metal electrode).
この一実施形態の電界効果トランジスタでは、上記第1ゲートはノーマリオフ、上記第2ゲートはノーマリオンになっているので、この電界効果トランジスタ全体としてはノーマリオフになる。したがって、この電界効果トランジスタは、スイッチング回路のスイッチング素子を構成するのに適する。 In the field effect transistor of this embodiment, since the first gate is normally off and the second gate is normally on, the entire field effect transistor is normally off. Therefore, this field effect transistor is suitable for constituting a switching element of a switching circuit.
一実施形態の電界効果トランジスタでは、上記第2ゲートは上記ソースに配線で電気的に接続されていることを特徴とする。 In one embodiment, the second gate is electrically connected to the source by a wiring.
この一実施形態の電界効果トランジスタでは、上記第2ゲートは上記ソースに配線で電気的に接続されているので、上記第2ゲートとソースとの間の電気抵抗が低くなる。したがって、高周波特性が改善される。 In the field effect transistor of this one embodiment, since the second gate is electrically connected to the source by wiring, the electrical resistance between the second gate and the source is lowered. Therefore, the high frequency characteristics are improved.
また、スイッチング動作時に、このトランジスタがオフ状態からオン状態へ遷移するとき、ドレイン電圧が負値になる。ここで、このトランジスタでは、ドレイン電圧が大きい負値になれば第2ゲートには順バイアスがかかるので、電荷は、ドレインのコンタクトから上記第2ゲートを構成する金属電極を通り、さらに上記配線を通ってソースへ流れる。これによって、上記第1ゲートにかかる順バイアス電圧の大きさが制限されて、上記第1ゲートを流れる電流が大きくはならない。このことは、このトランジスタがスイッチング素子として用いられる場合に、フリーホイール用ダイオードを不要にする利点を生む。 Further, when the transistor transits from the off state to the on state during the switching operation, the drain voltage becomes a negative value. Here, in this transistor, if the drain voltage becomes a large negative value, the second gate is forward-biased. Therefore, the charge passes from the contact of the drain through the metal electrode constituting the second gate, and further through the wiring. Flows through the source. As a result, the magnitude of the forward bias voltage applied to the first gate is limited, and the current flowing through the first gate does not increase. This gives the advantage of eliminating the need for a freewheeling diode when this transistor is used as a switching element.
一実施形態の電界効果トランジスタは、上記第2ゲートはエアブリッジ配線によって上記ソースに接続されていることを特徴とする。 The field effect transistor of one embodiment is characterized in that the second gate is connected to the source by an air bridge wiring.
ここで「エアブリッジ配線」とは、中央部が空中に浮き、両端部のみが支持された配線を指す。 Here, the “air bridge wiring” refers to a wiring in which a central portion is floated in the air and only both end portions are supported.
この一実施形態の電界効果トランジスタでは、上記エアブリッジ配線のお蔭で上記第2ゲートとソースとの間の電気抵抗が無視できる程度に低くなる。これとともに、ワイヤなどによる配線が設けられた場合に比して、上記第2ゲートに関する静電容量(第1ゲートと第2ゲートとの間の静電容量など)が低くなる。したがって、高周波特性が改善される。この構成は、カスコード回路と等価である。 In the field effect transistor according to this embodiment, the electric resistance between the second gate and the source is negligibly low due to the air bridge wiring. At the same time, the capacitance related to the second gate (capacitance between the first gate and the second gate, etc.) is lower than when a wire such as a wire is provided. Therefore, the high frequency characteristics are improved. This configuration is equivalent to a cascode circuit.
一実施形態の電界効果トランジスタでは、
上記ソースと第2ゲートとの間に上記第1ゲートを覆うポリイミド絶縁膜が設けられ、
上記第2ゲートは上記ポリイミド絶縁膜に支持された配線によって上記ソースに接続されていることを特徴とする。
In one embodiment of a field effect transistor,
A polyimide insulating film covering the first gate is provided between the source and the second gate,
The second gate is connected to the source by a wiring supported by the polyimide insulating film.
この一実施形態の電界効果トランジスタでは、上記配線のお蔭で上記第2ゲートとソースとの間の電気抵抗が無視できる程度に低くなる。これとともに、ワイヤなどによる配線が設けられた場合に比して、上記第2ゲートに関する静電容量(第1ゲートと第2ゲートとの間の静電容量など)が低くなる。したがって、高周波特性が改善される。この構成は、カスコード回路と等価である。また、上記配線が上記ポリイミド絶縁膜によって支持されるので、構造が安定する。 In the field effect transistor according to this embodiment, the electrical resistance between the second gate and the source is negligibly low due to the wiring. At the same time, the capacitance related to the second gate (capacitance between the first gate and the second gate, etc.) is lower than when a wire such as a wire is provided. Therefore, the high frequency characteristics are improved. This configuration is equivalent to a cascode circuit. Further, since the wiring is supported by the polyimide insulating film, the structure is stable.
一実施形態の電界効果トランジスタでは、
上記ソース、第1ゲート、第2ゲート、ドレインはそれぞれ上記半導体層上で一方向に細長く延びるパターンを有し、
上記エアブリッジ配線または配線は、上記一方向に対して垂直な方向に細長く延び、かつ上記一方向に関して周期的に複数設けられていることを特徴とする。
In one embodiment of a field effect transistor,
The source, the first gate, the second gate, and the drain each have a pattern extending in one direction on the semiconductor layer,
The air bridge wiring or wiring extends in a direction perpendicular to the one direction, and a plurality of the air bridge wirings or wirings are periodically provided in the one direction.
この一実施形態の電界効果トランジスタでは、上記ソース、第1ゲート、第2ゲート、ドレインはそれぞれ上記半導体層上で一方向に細長く延びるパターンを有するので、大電流をスイッチングまたは増幅できる。また、上記エアブリッジ配線または配線は、上記一方向に対して垂直な方向に細長く延び、かつ上記一方向に関して周期的に複数設けられているので、上記第2ゲートに関する静電容量(第1ゲートと第2ゲートとの間の静電容量など)があまり増大することがない。 In the field effect transistor of this embodiment, the source, the first gate, the second gate, and the drain each have a pattern elongated in one direction on the semiconductor layer, so that a large current can be switched or amplified. In addition, since the air bridge wiring or the wiring is elongated in a direction perpendicular to the one direction, and a plurality of the air bridge wirings or wirings are periodically provided with respect to the one direction, the capacitance (the first gate) And the like between the second gate and the second gate) do not increase so much.
一実施形態の電界効果トランジスタでは、上記第2ゲートとドレインとの間で上記半導体層の表面に、少なくとも上記第2ゲートに接するように半導体能動層の誘電率より高い誘電率の誘電膜が設けられていることを特徴とする。 In one embodiment, a dielectric film having a dielectric constant higher than that of the semiconductor active layer is provided on the surface of the semiconductor layer between the second gate and the drain so as to be in contact with at least the second gate. It is characterized by being.
既述のように、この電界効果トランジスタでは、ソース・ドレイン間電圧の大部分は第2ゲートとドレインとの間にかかる(電圧降下)。このため、特に第2ゲート近傍での絶縁破壊が問題となる。ここで、この一実施形態の電界効果トランジスタでは、上記第2ゲートとドレインとの間で上記半導体層の表面に、少なくとも上記第2ゲートに接するように誘電膜が設けられているので、第2ゲートとドレインとの間の最大電界が低くなり、特に第2ゲート近傍での絶縁破壊が防止される。また、2次元電子ガ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絶縁破壊耐圧を高くすることができる。 As described above, in this field effect transistor, most of the source-drain voltage is applied between the second gate and the drain (voltage drop). For this reason, dielectric breakdown particularly in the vicinity of the second gate becomes a problem. Here, in the field effect transistor of this one embodiment, since the dielectric film is provided on the surface of the semiconductor layer between the second gate and the drain so as to be in contact with at least the second gate, The maximum electric field between the gate and the drain is lowered, and the dielectric breakdown particularly in the vicinity of the second gate is prevented. Further, since the concentration of the electric field does not occur even if the carrier concentration of the two-dimensional electron gas is high, the breakdown voltage can be increased despite the low channel resistance.
上記誘電膜の誘電率は上記半導体層の誘電率よりも高いのが望ましい。この場合、第2ゲートとドレインとの間の最大電界を効果的に低くできる。 The dielectric constant of the dielectric film is preferably higher than the dielectric constant of the semiconductor layer. In this case, the maximum electric field between the second gate and the drain can be effectively reduced.
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the illustrated embodiments.
図1Aは一実施形態のHFET(Heterostructure Field Effect Transistor;ヘテロ構造電界効果トランジスタ)の断面構造を示し、図1Bは図1Aのものを上方から見たときの平面レイアウトを示している。 FIG. 1A shows a cross-sectional structure of an HFET (Heterostructure Field Effect Transistor) of one embodiment, and FIG. 1B shows a planar layout when the one of FIG. 1A is viewed from above.
図1Aに示すように、このHFETは、サファイア基板101上に、厚さ3μmのアンドープGaN層102と、厚さ25nmのAl0.3Ga0.7N層103とを備えている。これらの半導体層102、103はパターン加工されてメサ112を構成している。GaN層102とAl0.3Ga0.7N層103との境界面に沿って、キャリア濃度ns=8×1012cm−2の2次元電子ガス(2DEG)104が生じている。Al0.3Ga0.7N層103上で、この層103の表面に沿って互いに離間した位置にそれぞれ金属電極を設けて、ソース105、第1ゲート106、第2ゲート107、ドレイン108がこの順に形成されている。
As shown in FIG. 1A, the HFET includes an
ソース105およびドレイン108を構成する金属電極はTi/Al/Auの積層からなり、直下のAl0.3Ga0.7N層103とオーミック接触している。
The metal electrodes constituting the
第1ゲート106は、Al0.3Ga0.7N層103の表面上に厚さ10nmのSiO2からなるゲート絶縁膜114を設け、さらにそのゲート絶縁膜114の表面上にNi/Auの積層からなる金属電極106Mを設けて、MIS型として構成されている。一方、第2ゲート107は、Al0.3Ga0.7N層103の表面上にWN/Auの積層からなる金属電極を設けて、ショットキ接合型として構成されている。第1ゲート106のゲート長は0.5μmであり、第2ゲート107のゲート長は1.0μmになっている。また、第2ゲート107とドレイン108との間の間隔は5μmになっている。また、第1ゲート106は「ノーマリオン」型であり、そのピンチオフ電圧(閾値電圧)は−10Vである。第2ゲート107も「ノーマリオン」型であり、そのピンチオフ電圧は−5Vである。
The
このHFETでは、第2ゲート107は、Ti/Pt/Auの積層からなるエアブリッジ配線109によってソース105に電気的に接続されている。エアブリッジ配線109の直下は空間119になっている。
In this HFET, the
また、Al0.3Ga0.7N層103の表面のうち金属電極が設けられていない部分、特に第2ゲート107とドレイン108との間の全域を占めて第2ゲート107に接するように、SiNxからなるパシベーション膜115が設けられている。
Further, a portion of the surface of the Al 0.3 Ga 0.7 N layer 103 where the metal electrode is not provided, in particular, covers the entire area between the
このHFETでは、典型的な動作時には、ソース105とドレイン108との間に高電圧が印加され、第1ゲート106に高周波信号(スイッチング用の駆動信号や増幅されるべき高周波入力信号を含む。)が印加され、ソース105からエアブリッジ配線109を介して第2ゲート107にDCバイアスが印加(または接地)される。
In this HFET, during a typical operation, a high voltage is applied between the
ここで、このトランジスタがオフ状態で高いドレイン・ソース間電圧が印加されてドレイン・第2ゲート間電圧が高くなっているとき、従来例と同様に、インパクトイオン化によってチャネル領域にホール(正孔)(およびそのホールと対をなす電子)が生じることがある。しかしながら、このトランジスタでは、生じたホールはショットキ型の第2ゲート107の方へ掃き寄せられて、吸収される。したがって、トランジスタがオンにならず、ブレイクダウン電圧(耐圧)が高くなる。
Here, when a high drain-source voltage is applied while the transistor is off and the drain-second gate voltage is high, a hole (hole) is formed in the channel region by impact ionization as in the conventional example. (And electrons paired with the hole) may occur. However, in this transistor, the generated holes are swept toward the Schottky
また、インパクトイオン化によって生じたホール(ホットホール)は、そのようにショットキ型の第2ゲート107の方へ掃き寄せられて、吸収されるので、第1ゲート106をなすゲート絶縁膜114に注入されてトラップされることがない。したがって、このトランジスタの閾値電圧が安定する。
Further, holes (hot holes) generated by impact ionization are swept up and absorbed toward the Schottky
さらに、ソース105、第1ゲート106、第2ゲート107、ドレイン108はこの順に並んでいるため、ソース・ドレイン間電圧の大部分は第2ゲート107とドレイン108との間にかかる(電圧降下)。したがって、第1ゲート106にかかる電圧の大きさが制限されて、第1ゲート106についての遷移電流は比較的小さくなる。この結果、スイッチング動作時にこのHFETを駆動するドライバ回路の消費電力が小さくなる。第2ゲート107については、DCバイアスが印加(または接地)されるので、ドライバ回路の負担は生じない。
Furthermore, since the
このHFETでは、エアブリッジ配線109のお蔭で第2ゲート107とソース105との間の電気抵抗が無視できる程度に低くなる。これとともに、ワイヤなどによる配線が設けられた場合に比して、第2ゲート107に関する静電容量(第1ゲート106と第2ゲート107との間の静電容量など)が無視できる程度に低くなる。したがって、高周波特性が改善される。この構成は、カスコード回路と等価である。
In this HFET, the electric resistance between the
なお、ソース105と第2ゲート107との間のエアブリッジ配線109直下の空間119に、第1ゲート106を覆うようにポリイミド絶縁膜(図示せず)を設け、このポリイミド絶縁膜で配線109を支持するようにしても良い。これにより、構造が安定する。
A polyimide insulating film (not shown) is provided in the
図1Bに示すように、ソース105、第1ゲート106、第2ゲート107、ドレイン108は、大電流をスイッチングまたは増幅できるように、それぞれ一方向(図1Bにおける上下方向)に細長く延びるパターンを有している。エアブリッジ配線109は、その一方向に対して垂直な方向(図1Bにおける左右方向)に5μmの幅で細長く延びるパターンを有している。エアブリッジ配線109は、図1Bにおける上下方向に関して周期的に、具体的には図1B中に示す100μmピッチで、複数設けられている。典型的な例では、図1Bにおける上下方向のパターン寸法(ゲート幅)は60mmであり、図1Bに示す構成単位が600個含まれる。このように、エアブリッジ配線109は、細長く延びるパターンで周期的に設けられているので、第2ゲート107に関する静電容量(第1ゲート106と第2ゲート107との間の静電容量など)があまり増大することがない。
As shown in FIG. 1B, the
また、スイッチング動作時に、このトランジスタがオフ状態からオン状態へ遷移するとき、ドレイン電圧が負値になる。ここで、このトランジスタでは、ドレイン電圧が大きい負値になれば第2ゲート107には順バイアスがかかるので、電荷は、ドレイン108のコンタクトから第2ゲート107を構成する金属電極を通り、さらに上記エアブリッジ配線109を通ってソース105へ流れる。これによって、第1ゲート106にかかる順バイアス電圧の大きさが制限されて、第1ゲート106を流れる電流が大きくはならない。このことは、このトランジスタがスイッチング素子として用いられる場合に、フリーホイール用ダイオードを不要にする利点を生む。
Further, when the transistor transits from the off state to the on state during the switching operation, the drain voltage becomes a negative value. Here, in this transistor, if the drain voltage becomes a large negative value, the
図2Aはこの発明の別の一実施形態のHFETの断面構造を示し、図2Bは図2Aのものを上方から見たときの平面レイアウトを示している。 FIG. 2A shows a cross-sectional structure of an HFET according to another embodiment of the present invention, and FIG. 2B shows a planar layout when the one of FIG. 2A is viewed from above.
図2Aに示すように、このHFETは、SiC基板201上に、厚さ3μmのアンドープGaN層202と、厚さ25nmのAl0.3Ga0.7N層203とを備えている。これらの半導体層202、203はパターン加工されてメサ212を構成している。GaN層202とAl0.3Ga0.7N層203との境界面に沿って、キャリア濃度ns=8×1012cm−2の2次元電子ガス(2DEG)204が生じている。Al0.3Ga0.7N層203上で、この層203の表面に沿って互いに離間した位置にそれぞれ金属電極を設けて、ソース205、第1ゲート206、第2ゲート207、ドレイン208がこの順に形成されている。
As shown in FIG. 2A, this HFET includes an
ソース205およびドレイン208を構成する金属電極はTi/Al/Auの積層からなり、直下のAl0.3Ga0.7N層203とオーミック接触している。
The metal electrodes constituting the
第1ゲート206は、Al0.3Ga0.7N層203の表面に深さ18nmのリセス溝213を形成し、そのリセス溝213の内面(底面および側面)を覆うと共にそのリセス溝213の両側のAl0.3Ga0.7N層203の表面にオーバラップするように厚さ20nmのTa2O5からなるゲート絶縁膜214を設け、さらにそのゲート絶縁膜214の表面上にWN/Auの積層からなる金属電極206Mを設けて、MIS型として構成されている。一方、第2ゲート207は、Al0.3Ga0.7N層203の表面上にWN/Auの積層からなる金属電極を設けて、ショットキ接合型として構成されている。第1ゲート206のゲート長は0.5μmであり、第2ゲート207のゲート長は1.0μmになっている。また、第2ゲート207とドレイン208との間の間隔は5μmになっている。また、第1ゲート206は、リセス溝213のお蔭で「ノーマリオフ」型になっており、その閾値電圧は+0.3Vである。第2ゲート207は「ノーマリオン」型であり、そのピンチオフ電圧は−5Vである。
The
この例では、ゲート絶縁膜214がTa2O5からなる。Ta2O5は、一般的なSiO2に比して誘電率が高くて、またパシベーション効果がある。したがって、ノーマリオフ型素子のゲート絶縁膜の材料として特に適している。しかし、他の絶縁体、例えばSiO2,SiNx,HfO2,TiO2、その他の金属酸化膜も、ゲート絶縁膜の材料として用いても良い。
In this example, the
このHFETでは、第2ゲート207は、Ti/Pt/Auの積層からなるエアブリッジ配線209によってソース205に電気的に接続されている。エアブリッジ配線209の直下は空間219になっている。
In this HFET, the
また、Al0.3Ga0.7N層203の表面のうち第2ゲート207とドレイン208との間の全域を占めて第2ゲート207にオーバラップして接するように、誘電膜としての厚さ4000ÅのTiO2膜215が設けられている。
In addition, the thickness of the dielectric film is such that the entire surface of the Al 0.3 Ga 0.7 N layer 203 occupies the entire area between the
このHFETでは、典型的な動作時には、ソース205とドレイン208との間に高電圧が印加され、第1ゲート206に高周波信号(スイッチング用の駆動信号や増幅されるべき高周波入力信号を含む。)が印加され、ソース205からエアブリッジ配線209を介して第2ゲート207にDCバイアスが印加(または接地)される。
In a typical operation, in this HFET, a high voltage is applied between the
ここで、図3Bに示すように、このトランジスタがオフ状態で高いドレイン・ソース間電圧が印加されてドレイン・第2ゲート間電圧が高くなっているとき、従来例と同様に、インパクトイオン化によってチャネル領域にホール(正孔)290(およびそのホールと対をなす電子292)が生じることがある。しかしながら、このトランジスタでは、生じたホール290は、矢印294で示すように、ショットキ型の第2ゲート207の方へ掃き寄せられて、吸収される。したがって、トランジスタがオンにならず、ブレイクダウン電圧(耐圧)が高くなる。なお、インパクトイオン化によってチャネル領域に生じた電子292は、矢印293で示すように、ドレイン208の方へ掃き寄せられて、吸収されるだけである。これに対して、図3Aに示す参考例のHFET(図3BのHFETにおいて第2ゲート207とエアブリッジ配線209を省略したもの)では、生じたホール290がアバランシェ(なだれ)増倍されて、矢印291で示すように、ゲート電極206M直下のゲート絶縁膜214の下に集まる。このため、望まれないのにトランジスタがオンし、ブレイクダウン電圧(耐圧)が低い。
Here, as shown in FIG. 3B, when a high drain-source voltage is applied and the drain-second gate voltage is high when this transistor is in an off state, the channel is formed by impact ionization as in the conventional example. A hole (hole) 290 (and an
また、インパクトイオン化によって生じたホール(ホットホール)290は、そのようにショットキ型の第2ゲート207の方へ掃き寄せられて、吸収されるので、第1ゲート206をなすゲート絶縁膜214に注入されてトラップされることがない。したがって、このトランジスタの閾値電圧が安定する。
Further, the holes (hot holes) 290 generated by impact ionization are swept up and absorbed toward the Schottky
さらに、ソース205、第1ゲート206、第2ゲート207、ドレイン208はこの順に並んでいるため、ソース・ドレイン間電圧の大部分は第2ゲート207とドレイン208との間にかかる(電圧降下)。したがって、第1ゲート206にかかる電圧の大きさが制限されて、第1ゲート206についての遷移電流は比較的小さくなる。この結果、スイッチング動作時にこのHFETを駆動するドライバ回路の消費電力が小さくなる。第2ゲート207については、DCバイアスが印加(または接地)されるので、ドライバ回路の負担は生じない。
Furthermore, since the
このHFETでは、エアブリッジ配線209のお蔭で第2ゲート207とソース205との間の電気抵抗が無視できる程度に低くなる。これとともに、ワイヤなどによる配線が設けられた場合に比して、第2ゲート207に関する静電容量(第1ゲート206と第2ゲート207との間の静電容量など)が無視できる程度に低くなる。したがって、高周波特性が改善される。この構成は、カスコード回路と等価である。
In this HFET, the electric resistance between the
なお、ソース205と第2ゲート207との間のエアブリッジ配線209直下の空間219に、第1ゲート206を覆うようにポリイミド絶縁膜(図示せず)を設け、このポリイミド絶縁膜で配線209を支持するようにしても良い。これにより、構造が安定する。
A polyimide insulating film (not shown) is provided in the
図2Bに示すように、ソース205、第1ゲート206、第2ゲート207、ドレイン208は、大電流をスイッチングまたは増幅できるように、それぞれ一方向(図2Bにおける上下方向)に細長く延びるパターンを有している。エアブリッジ配線209は、その一方向に対して垂直な方向(図2Bにおける左右方向)に5μmの幅で細長く延びるパターンを有している。エアブリッジ配線209は、図2Bにおける上下方向に関して周期的に、具体的には図2B中に示す200μmピッチで、複数設けられている。典型的な例では、図2Bにおける上下方向のパターン寸法(ゲート幅)は60mmであり、図2Bに示す構成単位が600個含まれる。このように、エアブリッジ配線209は、細長く延びるパターンで周期的に設けられているので、第2ゲート207に関する静電容量(第1ゲート206と第2ゲート207との間の静電容量など)があまり増大することがない。
As shown in FIG. 2B, each of the
既述のように、この例では、第2ゲート207とドレイン208との間の全域を占めて第2ゲート207にオーバラップして接するように、誘電膜としてのTiO2膜215が設けられている。TiO2は高い誘電率と高い絶縁破壊強さを有するので好ましい。この誘電膜215のお蔭で第2ゲート207とドレイン208との間の最大電界が低くなり、特に第2ゲート207近傍での絶縁破壊が防止される。また、2次元電子ガス204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絶縁破壊耐圧を高くすることができる。
As described above, in this example, the TiO 2 film 215 as a dielectric film is provided so as to occupy the entire area between the
上記誘電膜215の誘電率はGaN層202やAlGaN層203の誘電率よりも高いのが望ましい。上記誘電膜215の厚さは2000Åより厚いのが望ましい。この場合、第2ゲート207とドレイン208との間の最大電界を効果的に低くできる。
The
誘電膜215の材料としては、具体的には、誘電率と絶縁破壊強さの観点から、TiO2の他に、HfO2、TaOx、NbOxなどが挙げられる。
Specific examples of the material of the
ただし、誘電膜215のせいで第2ゲート207に関する静電容量が増加するため、その分だけ、スイッチング動作時に第2ゲート207を通る遷移電流が増加する。しかしながら、ソース・ドレイン間電圧の大部分は第2ゲート207とドレイン208との間にかかる(電圧降下)。したがって、第1ゲート206にかかる電圧の大きさが制限されて、第1ゲート206についての遷移電流は比較的小さくなる。この結果、スイッチング動作時にこのHFETを駆動するドライバ回路の消費電力が小さくなる。
However, since the electrostatic capacity related to the
なお、当然ながら、誘電膜215に代えて、図1A中に示したようなSiNxからなるパシベーション膜115を設けても良い。
Of course, instead of the
図5は、図2Aに示したHFETを4個(それぞれ符号401A、401B、401C、401Dで示す。)用いて構成された「Hブリッジ」スイッチング回路を示している。このスイッチング回路は、4個のHFET401A、401B、401C、401Dを所定のタイミングでオン、オフ制御するドライバ回路400を含んでいる。403はインダクタンス負荷を示している。ドレイン電圧が切り替わって絶対値が大きい負値になった場合(インダクタンス負荷のときに生ずる)に、逆方向のドレイン電流は、既述のように第2ゲート207を構成する金属電極からエアブリッジ配線209を通ってソース205へバイパスされて流れる。これによって、第1ゲート206にかかる順バイアス電圧の大きさが制限されて、第1ゲート206を流れる電流が大きくはならない。したがって、従来のスイッチング回路(図6参照)では必要とされたフリーホイール用ダイオードが不要になる。
FIG. 5 shows an “H-bridge” switching circuit configured using four HFETs shown in FIG. 2A (indicated by
この実施形態では、GaN系のHFETに関して述べたが、これに限られるものではない。この発明は、デュアルゲートを有する電界効果トランジスタに広く適用される。 In this embodiment, the GaN-based HFET has been described, but the present invention is not limited to this. The present invention is widely applied to a field effect transistor having a dual gate.
102、202 アンドープGaN層
103、203 Al0.3Ga0.7N層
104、204 2次元電子ガス
105、205 ソース
106、206 第1ゲート
107、207 第2ゲート
108、208 ドレイン
109、209 エアブリッジ配線
213 リセス溝
215 TiO2膜
102, 202
Claims (7)
上記第1ゲートはMIS型であり、上記第2ゲートはショットキ型であることを特徴とする電界効果トランジスタ。 A source having a metal electrode, a first gate, a second gate, and a drain are provided in this order at positions spaced apart from each other along the surface of the semiconductor layer on the semiconductor layer,
The field effect transistor according to claim 1, wherein the first gate is a MIS type and the second gate is a Schottky type.
上記第1ゲートはノーマリオフ、上記第2ゲートはノーマリオンになっていることを特徴とする電界効果トランジスタ。 The field effect transistor according to claim 1.
The field effect transistor according to claim 1, wherein the first gate is normally off and the second gate is normally on.
上記第2ゲートは上記ソースに配線で電気的に接続されていることを特徴とする電界効果トランジスタ。 The field effect transistor according to claim 1 or 2,
The field effect transistor, wherein the second gate is electrically connected to the source by a wiring.
上記第2ゲートはエアブリッジ配線によって上記ソースに接続されていることを特徴とする電界効果トランジスタ。 The field effect transistor according to claim 3.
The field effect transistor according to claim 1, wherein the second gate is connected to the source by an air bridge wiring.
上記ソースと第2ゲートとの間に上記第1ゲートを覆うポリイミド絶縁膜が設けられ、
上記第2ゲートは上記ポリイミド絶縁膜に支持された配線によって上記ソースに接続されていることを特徴とする電界効果トランジスタ。 The field effect transistor according to claim 3.
A polyimide insulating film covering the first gate is provided between the source and the second gate,
The field effect transistor according to claim 1, wherein the second gate is connected to the source by a wiring supported by the polyimide insulating film.
上記ソース、第1ゲート、第2ゲート、ドレインはそれぞれ上記半導体層上で一方向に細長く延びるパターンを有し、
上記エアブリッジ配線または配線は、上記一方向に対して垂直な方向に細長く延び、かつ上記一方向に関して周期的に複数設けられていることを特徴とする電界効果トランジスタ。 The field effect transistor according to claim 4 or 5,
The source, the first gate, the second gate, and the drain each have a pattern extending in one direction on the semiconductor layer,
The field effect transistor according to claim 1, wherein a plurality of the air bridge wirings or wirings are elongated in a direction perpendicular to the one direction and are periodically provided in the one direction.
上記第2ゲートとドレインとの間で上記半導体層の表面に、少なくとも上記第2ゲートに接するように半導体能動層の誘電率より高い誘電率の誘電膜が設けられていることを特徴とする電界効果トランジスタ。 In the field effect transistor as described in any one of Claim 1-6,
An electric field characterized in that a dielectric film having a dielectric constant higher than that of the semiconductor active layer is provided on the surface of the semiconductor layer between the second gate and the drain so as to be in contact with at least the second gate. Effect transistor.
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