JP2011192944A - Semiconductor device and method of operating semiconductor device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To make a threshold voltage of a transistor high. <P>SOLUTION: A floating electrode 110 is formed on a semiconductor layer 102 and an insulation layer is formed on the floating electrode 110. A bias electrode 134 is opposed to a part of the floating electrode 110 via the insulation layer to be capacitively coupled with the floating electrode 110 and is applied with a voltage with such a magnitude that the floating electrode 110 may not form a channel region in the semiconductor layer 102. A control electrode 132 is opposed to the other part of the floating electrode 110 via the insulation layer to be capacitively coupled with the floating electrode 110 and is applied with a control voltage to control on/off of the transistor. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体装置及び半導体装置の動作方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device and a method for operating the semiconductor device.

GaN、AlGaN、InGaNなどの窒化物系半導体及びSiC等は、従来のSiなどの半導体に比べてバンドギャップが広いため、高温、高耐圧デバイス用半導体として優れた特性を示す。窒化物系半導体(GaN系半導体)材料では、AlGaN/GaNのヘテロ接合を利用した、ヘテロ接合電界効果トランジスタ(Hetero-junction FET:HFET)、別名HEMT(High Electron Mobility Transistor:高電子移動度トランジスタ)の開発が盛んに行われている。   Nitride-based semiconductors such as GaN, AlGaN, and InGaN, SiC, and the like have a wider band gap than conventional semiconductors such as Si, and thus exhibit excellent characteristics as semiconductors for high-temperature, high-voltage devices. For nitride-based semiconductor (GaN-based semiconductor) materials, heterojunction field-effect transistors (HETero-junction FETs: HFETs) that use AlGaN / GaN heterojunctions, also known as HEMTs (High Electron Mobility Transistors) Is being actively developed.

AlGaN/GaNのヘテロ接合界面には、自発分極および圧電効果(ピエゾ効果)によって、AlGaN側にプラスの電荷が発生し、その結果GaN側にマイナスの電荷(電子)が蓄積する。この蓄積電子により、AlGaNにドーピングを行わなくても高濃度の二次元電子ガスが形成され、HFETのオン抵抗を、分極のないAlGaAs/GaAs系HFETのオン抵抗よりはるかに小さくできる。   At the AlGaN / GaN heterojunction interface, positive charges are generated on the AlGaN side due to spontaneous polarization and the piezoelectric effect (piezo effect), and as a result, negative charges (electrons) accumulate on the GaN side. The accumulated electrons form a high-concentration two-dimensional electron gas without doping AlGaN, and the on-resistance of the HFET can be made much smaller than the on-resistance of an AlGaAs / GaAs HFET having no polarization.

一方、ゲート電圧が0Vの場合でも、自発分極および圧電効果の為にチャネルに二次元電子ガスが形成されているため、オフとすることができない。即ち、一般的なHFETはノーマリオン型のFETとなっている。通常、電力の制御に使われているインバータやコンバータにおいては、ゲートに0Vを印加した場合に、FETに電流が流れない、いわゆるノーマリオフ型のFETが使われており、AlGaAs/GaAs系HFETを上記デバイスに適用するには、ノーマリオフ型(エンハンスメントモード型)にする必要がある。AlGaN/GaN系HFETにおいて、エンハンスメントモード型を達成するため、非特許文献1に示されているように、AlGaN層を薄くし、分極の効果を減少させる方法が開示されている。   On the other hand, even when the gate voltage is 0 V, it cannot be turned off because a two-dimensional electron gas is formed in the channel due to spontaneous polarization and piezoelectric effect. That is, a general HFET is a normally-on type FET. In general, inverters and converters used for power control use so-called normally-off type FETs in which no current flows through the FET when 0 V is applied to the gate. In order to apply to a device, it is necessary to use a normally-off type (enhancement mode type). In order to achieve an enhancement mode type in an AlGaN / GaN HFET, as shown in Non-Patent Document 1, a method of reducing the polarization effect by thinning the AlGaN layer is disclosed.

T. Inoue 他著、IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, 55巻、2号、2008年2月、483〜488頁T. Inoue et al., IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, Vol. 55, No. 2, February 2008, pp. 483-488

高耐圧FETでは、しきい値電圧として2V以上が望まれている。しかしAlGaN/GaN系HFETにおいて、AlGaN層を薄くして分極の効果を減少させる方法では、しきい値増大に限界があり、このため、例えば1V以上といった高いしきい値電圧は実現されていない。   In a high voltage FET, a threshold voltage of 2 V or higher is desired. However, in the method of reducing the polarization effect by thinning the AlGaN layer in the AlGaN / GaN-based HFET, there is a limit in increasing the threshold value. For this reason, a high threshold voltage of, for example, 1 V or more has not been realized.

本発明によれば、半導体層と、
前記半導体層上に形成されたフローティング電極と、
前記フローティング電極上に形成された絶縁層と、
前記絶縁層を介して前記フローティング電極の一部に対向することにより、前記フローティング電極と容量結合し、かつ前記フローティング電極が前記半導体層にチャネル領域を形成しない大きさの一定電圧が印加されるバイアス電極と、
前記絶縁層を介して前記フローティング電極の他の部分に対向することにより、前記フローティング電極と容量結合し、かつトランジスタのオン/オフを制御するための制御電圧が入力される制御電極と、
を備える半導体装置が提供される。
According to the present invention, a semiconductor layer;
A floating electrode formed on the semiconductor layer;
An insulating layer formed on the floating electrode;
A bias that is capacitively coupled to the floating electrode by facing a part of the floating electrode through the insulating layer and is applied with a constant voltage that does not form a channel region in the semiconductor layer. Electrodes,
A control electrode that is capacitively coupled to the floating electrode by facing the other part of the floating electrode through the insulating layer and receives a control voltage for controlling on / off of the transistor;
A semiconductor device is provided.

本発明によれば、トランジスタをオンするためには、制御電極にはトランジスタのオン/オフを制御するための制御電圧が入力される。そして、バイアス電極には、フローティング電極が半導体層にチャネル領域を形成しない大きさの一定電圧が印加される。このため、バイアス電極に入力される一定電圧の大きさを制御することにより、トランジスタをオンするために必要な制御電圧の大きさを変えることができる。従って、バイアス電力に適切な大きさの一定電圧を加えることにより、トランジスタのしきい値電圧を高くすることができる。   According to the present invention, in order to turn on a transistor, a control voltage for controlling on / off of the transistor is input to the control electrode. A constant voltage is applied to the bias electrode so that the floating electrode does not form a channel region in the semiconductor layer. For this reason, the magnitude of the control voltage necessary for turning on the transistor can be changed by controlling the magnitude of the constant voltage input to the bias electrode. Therefore, the threshold voltage of the transistor can be increased by applying a constant voltage having an appropriate magnitude to the bias power.

本発明によれば、半導体層と、
前記半導体層上に形成されたフローティング電極と、
前記フローティング電極上に形成された絶縁層と、
前記絶縁層を介して前記フローティング電極の一部に対向することにより、前記フローティング電極と容量結合するバイアス電極と、
前記絶縁層を介して前記フローティング電極の他の部分に対向することにより、前記フローティング電極と容量結合する制御電極と、
を備え、
前記制御電極と前記フローティング電極の間に形成される容量は、前記バイアス電極と前記フローティング電極の間に形成される容量よりも大きい半導体装置が提供される。
According to the present invention, a semiconductor layer;
A floating electrode formed on the semiconductor layer;
An insulating layer formed on the floating electrode;
A bias electrode capacitively coupled to the floating electrode by facing a part of the floating electrode through the insulating layer;
A control electrode capacitively coupled to the floating electrode by facing the other part of the floating electrode through the insulating layer;
With
A semiconductor device is provided in which a capacitance formed between the control electrode and the floating electrode is larger than a capacitance formed between the bias electrode and the floating electrode.

本発明によれば、半導体層と、
前記半導体層上に形成されたフローティング電極と、
前記フローティング電極上に形成された絶縁層と、
前記絶縁層を介して前記フローティング電極の一部に対向することにより、前記フローティング電極と容量結合するバイアス電極と、
前記絶縁層を介して前記フローティング電極の他の部分に対向することにより、前記フローティング電極と容量結合する制御電極と、
を有するトランジスタを備える半導体装置において、
前記バイアス電極に、前記フローティング電極が前記半導体層にチャネル領域を形成しない大きさの一定電圧を印加しつつ、前記制御電極に印加する電圧の大きさを制御することにより前記トランジスタのオン/オフを制御する、半導体装置の動作方法が提供される。
According to the present invention, a semiconductor layer;
A floating electrode formed on the semiconductor layer;
An insulating layer formed on the floating electrode;
A bias electrode capacitively coupled to the floating electrode by facing a part of the floating electrode through the insulating layer;
A control electrode capacitively coupled to the floating electrode by facing the other part of the floating electrode through the insulating layer;
In a semiconductor device comprising a transistor having
The transistor is turned on / off by controlling the magnitude of the voltage applied to the control electrode while applying a constant voltage to the bias electrode such that the floating electrode does not form a channel region in the semiconductor layer. A method for operating a semiconductor device is provided.

本発明によれば、トランジスタの閾値電圧を高くすることができる。   According to the present invention, the threshold voltage of a transistor can be increased.

第1の実施形態に係る半導体装置の構成を示す平面図である。1 is a plan view showing a configuration of a semiconductor device according to a first embodiment. 図1のA−A´断面図である。It is AA 'sectional drawing of FIG. 図1のB−B´断面図である。It is BB 'sectional drawing of FIG. 実施形態におけるHFETの動作を説明するためのエネルギーバンド図である。It is an energy band figure for demonstrating operation | movement of HFET in embodiment. 図1に示した構造の等価回路を示す図である。It is a figure which shows the equivalent circuit of the structure shown in FIG. 第2の実施形態に係る半導体装置を示す平面図である。It is a top view which shows the semiconductor device which concerns on 2nd Embodiment. 図6のA−A´断面図である。It is AA 'sectional drawing of FIG. 図6の変形例を示す平面図である。It is a top view which shows the modification of FIG.

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, the same reference numerals are given to the same components, and the description will be omitted as appropriate.

図1は、第1の実施形態に係る半導体装置の構成を示す平面図である。図2は図1のA−A´断面図であり、図3は図1のB−B´断面図である。本実施形態に係る半導体装置には、図1〜3に示した構成以外にも、層間絶縁膜や、他の素子等との電気的接続を行う為の配線等が設けられている。但し、それらの図示及び説明は省略している。この半導体装置は、HFETを有しており、具体的には半導体層100,102、フローティング電極110、絶縁層120、バイアス電極134、及び制御電極132を備えている。フローティング電極110は半導体層102上に形成されており、絶縁層120はフローティング電極110上に形成されている。バイアス電極134は、絶縁層120を介してフローティング電極110の一部に対向することにより、フローティング電極110と容量結合し、かつフローティング電極110が半導体層100,102にチャネル領域を形成しない大きさの電圧が印加される。制御電極132は、絶縁層120を介してフローティング電極110の他の部分に対向することにより、フローティング電極110と容量結合し、かつトランジスタのオン/オフを制御するための制御電圧が入力される。すなわち制御電極132は、フローティング電極110が半導体層100,102にチャネル領域を形成する大きさの電圧が印加可能になっている。以下、詳細に説明する。   FIG. 1 is a plan view showing the configuration of the semiconductor device according to the first embodiment. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. 1, and FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line BB ′ of FIG. In addition to the configuration shown in FIGS. 1 to 3, the semiconductor device according to the present embodiment is provided with an interlayer insulating film, wiring for making electrical connection with other elements, and the like. However, illustration and description thereof are omitted. This semiconductor device has an HFET, and specifically includes semiconductor layers 100 and 102, a floating electrode 110, an insulating layer 120, a bias electrode 134, and a control electrode 132. The floating electrode 110 is formed on the semiconductor layer 102, and the insulating layer 120 is formed on the floating electrode 110. The bias electrode 134 is opposed to a part of the floating electrode 110 through the insulating layer 120, thereby capacitively coupling with the floating electrode 110, and having a size such that the floating electrode 110 does not form a channel region in the semiconductor layers 100 and 102. A voltage is applied. The control electrode 132 is opposed to the other part of the floating electrode 110 with the insulating layer 120 interposed therebetween, so that the control electrode 132 is capacitively coupled to the floating electrode 110 and receives a control voltage for controlling on / off of the transistor. That is, the control electrode 132 can be applied with a voltage large enough for the floating electrode 110 to form a channel region in the semiconductor layers 100 and 102. Details will be described below.

半導体層102は例えばAlGaN層であり、例えばGaN層からなる半導体層100上に形成されている。半導体層100,102には素子分離膜101が埋め込まれている。素子分離膜101は、トランジスタ形成領域を他の領域から分離している。   The semiconductor layer 102 is an AlGaN layer, for example, and is formed on the semiconductor layer 100 made of, for example, a GaN layer. An element isolation film 101 is embedded in the semiconductor layers 100 and 102. The element isolation film 101 isolates the transistor formation region from other regions.

半導体層102上には、フローティング電極110のほかに、ソース電極106及びドレイン電極104が形成されている。絶縁層120は素子分離膜101、半導体層102、ソース電極106、ドレイン電極104、及びフローティング電極110を覆っている。   A source electrode 106 and a drain electrode 104 are formed on the semiconductor layer 102 in addition to the floating electrode 110. The insulating layer 120 covers the element isolation film 101, the semiconductor layer 102, the source electrode 106, the drain electrode 104, and the floating electrode 110.

図1に示すように、トランジスタ形成領域すなわち半導体層102のうち素子分離膜101で覆われていない部分は、平面形状が矩形となっている。そして矩形の短辺側の一方の端部にソース電極106が重なっており、他方の端部にドレイン電極104が重なっている。制御電極132は、フローティング電極110のうちトランジスタ形成領域と重なっている部分を覆っており、バイアス電極134は、フローティング電極110のうち素子分離膜101上に位置する部分を覆っている。そして制御電極132のうちフローティング電極110に対向する部分の面積は、バイアス電極134のうちフローティング電極110に対向する部分の面積よりも大きくなっている。そのため、フローティング電極110と制御電極132の間の容量は、フローティング電極110とバイアス電極134の間の容量よりも大きくなっている。   As shown in FIG. 1, the planar shape of the transistor formation region, that is, the portion of the semiconductor layer 102 that is not covered with the element isolation film 101 is rectangular. The source electrode 106 overlaps one end of the rectangular short side, and the drain electrode 104 overlaps the other end. The control electrode 132 covers a portion of the floating electrode 110 overlapping the transistor formation region, and the bias electrode 134 covers a portion of the floating electrode 110 located on the element isolation film 101. The area of the control electrode 132 that faces the floating electrode 110 is larger than the area of the bias electrode 134 that faces the floating electrode 110. Therefore, the capacitance between the floating electrode 110 and the control electrode 132 is larger than the capacitance between the floating electrode 110 and the bias electrode 134.

次に、図1〜図3に示した半導体装置のHFETの動作について説明する。ソース電極106には0V、ドレイン電極104には正の電圧、例えば600Vが印加される。フローティング電極110の電位がある電圧以上となると、半導体層100と半導体層102の界面にキャリアが形成され、ソース電極106とドレイン電極104の間に電流が流れる(オン状態)。フローティング電極110の電位は、制御電極132とバイアス電極134の電圧によって制御している。バイアス電極134に一定の負電圧が印加された状態で、制御電極132にゼロ電圧が印加されるとHFETはオフ状態になり、制御電極132に正の電圧が印加されるとHFETはオン状態になる。オン状態時の制御電極132の電圧を、本実施形態ではしきい値電圧と呼ぶ。   Next, the operation of the HFET of the semiconductor device shown in FIGS. 0 V is applied to the source electrode 106 and a positive voltage, for example, 600 V is applied to the drain electrode 104. When the potential of the floating electrode 110 becomes equal to or higher than a certain voltage, carriers are formed at the interface between the semiconductor layer 100 and the semiconductor layer 102, and current flows between the source electrode 106 and the drain electrode 104 (ON state). The potential of the floating electrode 110 is controlled by the voltage of the control electrode 132 and the bias electrode 134. When a zero voltage is applied to the control electrode 132 while a constant negative voltage is applied to the bias electrode 134, the HFET is turned off, and when a positive voltage is applied to the control electrode 132, the HFET is turned on. Become. In this embodiment, the voltage of the control electrode 132 in the on state is referred to as a threshold voltage.

詳細には、フローティング電極110の電位は、フローティング電極110と制御電極132の間の容量C、フローティング電極110とバイアス電極134の間の容量C、制御電極132に印加される電圧、及びバイアス電極134に印加される電圧等によって決まる。ここでバイアス電極134に負電圧を印加しているので、オン状態とするには制御電極132に、より高い電圧を印加する必要がある。つまりしきい値電圧を高くすることができる。そして容量C,Cやバイアス電極134に印加される電圧の設定により、2V以上のしきい値電圧を得ることができる。また、しきい値電圧はバイアス電極134の電圧で制御可能なので、この電圧によりデバイス製造過程でのしきい値ばらつきの影響を抑制することができる。 Specifically, the potential of the floating electrode 110 includes a capacitance C 1 between the floating electrode 110 and the control electrode 132, a capacitance C 2 between the floating electrode 110 and the bias electrode 134, a voltage applied to the control electrode 132, and a bias It depends on the voltage applied to the electrode 134. Here, since a negative voltage is applied to the bias electrode 134, it is necessary to apply a higher voltage to the control electrode 132 in order to turn it on. That is, the threshold voltage can be increased. A threshold voltage of 2 V or higher can be obtained by setting the voltages applied to the capacitors C 1 and C 2 and the bias electrode 134. In addition, since the threshold voltage can be controlled by the voltage of the bias electrode 134, the influence of threshold variation in the device manufacturing process can be suppressed by this voltage.

なおバイアス電極134に入力される電圧は、半導体装置の内部に設けられた定電圧回路から入力されてもよいし、外部から入力されてもよい。   Note that the voltage input to the bias electrode 134 may be input from a constant voltage circuit provided inside the semiconductor device or may be input from the outside.

次に、本実施形態の効果について、詳細に説明する。通常のAlGaN/GaN系HFETでは、自発分極および圧電効果により、図4のエネルギーバンド図に示すように、ゲート電極(本実施形態ではフローティング電極110)/AlGaN/GaNのへテロ構造におけるAlGaN層のGaN層側には正の電荷が、ゲート電極側には負の電荷が形成される。この電荷量は、AlGaN層の膜厚に依存し、膜厚が厚くなるほど形成される電荷量が多くなる。AlGaN層がある値より厚くなってAlGaN層に形成される電荷量が多くなると、AlGaN層よりバンドギャップの小さなGaN層側には二次元電子ガスの負の空間電荷が形成され、ゲート電極側には正の電荷が形成される。AlGaN層とGaN層の界面に形成された二次元電子ガスはチャネルを形成し、ゲート電圧がゼロでも電流が流れるデプレッションモードとなる。   Next, the effect of this embodiment will be described in detail. In a normal AlGaN / GaN-based HFET, due to spontaneous polarization and the piezoelectric effect, as shown in the energy band diagram of FIG. 4, the AlGaN layer in the gate electrode (floating electrode 110 in this embodiment) / AlGaN / GaN heterostructure A positive charge is formed on the GaN layer side, and a negative charge is formed on the gate electrode side. This amount of charge depends on the film thickness of the AlGaN layer, and the amount of charge formed increases as the film thickness increases. When the AlGaN layer becomes thicker than a certain value and the amount of charge formed in the AlGaN layer increases, a negative space charge of a two-dimensional electron gas is formed on the GaN layer side having a smaller band gap than the AlGaN layer, and on the gate electrode side. A positive charge is formed. The two-dimensional electron gas formed at the interface between the AlGaN layer and the GaN layer forms a channel, which is a depletion mode in which current flows even when the gate voltage is zero.

しきい値増加のため、前述の非特許文献1に記載されているように、チャネル領域のみAlGaN層を薄膜化したリセス構造にすることが開示されている。ゲートとソース電極及びドレイン電極間は、AlGaN層を厚く形成し、二次元電子ガスによる低抵抗化を図っている。Al組成にもよるが、エンハンスメントモード型とするためにはAlGaN層を15nm程度以下にする必要がある。またAlGaN層を薄くするに従いしきい値電圧は増加するが、しきい値電圧を1V以上とするには、AlGaN層を10nm程度以下に薄膜化する必要がある。ここでAlGaN層の膜厚ばらつきは、しきい値ばらつきとなるので、AlGaN層厚は高精度に形成する必要がある。上述の様な薄いAlGaN層を制御性良く形成することは難しい。しかしながら、上述の様な、チャネル領域のみ薄膜のAlGaN層を制御性良く形成する方法は、開示されていない。   In order to increase the threshold value, as described in the aforementioned Non-Patent Document 1, it is disclosed that a recess structure is formed by thinning an AlGaN layer only in a channel region. A thick AlGaN layer is formed between the gate, source electrode, and drain electrode to reduce resistance by a two-dimensional electron gas. Although depending on the Al composition, the AlGaN layer needs to be about 15 nm or less in order to be an enhancement mode type. Although the threshold voltage increases as the AlGaN layer is made thinner, in order to make the threshold voltage 1 V or more, it is necessary to make the AlGaN layer thinner to about 10 nm or less. Here, since the film thickness variation of the AlGaN layer becomes a threshold value variation, the AlGaN layer thickness needs to be formed with high accuracy. It is difficult to form a thin AlGaN layer as described above with good controllability. However, a method for forming a thin AlGaN layer only in the channel region with good controllability as described above is not disclosed.

これに対して、第1実施形態に係る半導体装置は、チャネルをリセス構造とする必要はなく、AlGaN層はソース電極からドレイン電極まで厚く形成しても、しきい値電圧を高くすることができる。図1に示した構造の等価回路を図5に示す。制御電極132にはゼロから正の電圧が印加され、対向するフローティング電極110表面にはゼロから負の電荷が形成される。バイアス電極134に負の一定電圧を印加すると、対向するフローティング電極110には正の電荷が形成される。つまり、制御電極132により形成される電荷を打ち消す方向の電荷が、バイアス電極134により形成されるので、チャネル電位を同じにするには、バイアス電極134がない場合に比べ、制御電極132に高い電圧を印加する必要がある。従って、従来構造ではしきい値がマイナスであったが、本実施形態ではしきい値をプラスとすることが出来る。   On the other hand, the semiconductor device according to the first embodiment does not require the channel to have a recessed structure, and the threshold voltage can be increased even if the AlGaN layer is formed thick from the source electrode to the drain electrode. . An equivalent circuit of the structure shown in FIG. 1 is shown in FIG. A positive voltage is applied to the control electrode 132 from zero, and a negative charge is formed from zero to the surface of the opposing floating electrode 110. When a negative constant voltage is applied to the bias electrode 134, a positive charge is formed on the opposing floating electrode 110. That is, since the charge in the direction that cancels the charge formed by the control electrode 132 is formed by the bias electrode 134, a higher voltage is applied to the control electrode 132 than in the case without the bias electrode 134 in order to make the channel potential the same. Must be applied. Accordingly, the threshold value is negative in the conventional structure, but in the present embodiment, the threshold value can be positive.

上記した内容を数式で説明する。フローティング電極110、制御電極132及びバイアス電極134の電位をそれぞれV,VC1,VC2、フローティング電極110と制御電極132の間の容量をC、フローティング電極110とバイアス電極134の間の容量をC、フローティング電極110と半導体層100間の容量をCとすると、フローティング電極110の電位は、
=(CC1+CC2)/(C+C+C)
と表せる。バイアス電極134の電圧VC2を負の電圧にすることで、制御電極132の電圧VC1が正の電圧の時に、フローティング電極110の電圧Vを負の電圧に設定することが出来る。Vは従来構造のゲート電圧に、VC1は本実施形態の構造のゲート電圧にそれぞれ相当するが、従来構造ではしきい値電圧が負であったとしても、本実施形態の構造ではしきい値電圧を正にできることが分かる。
The above contents will be described with mathematical formulas. The potentials of the floating electrode 110, the control electrode 132, and the bias electrode 134 are V F , V C1 , and V C2 , the capacitance between the floating electrode 110 and the control electrode 132 is C 1 , and the capacitance between the floating electrode 110 and the bias electrode 134, respectively. Is C 2 , and the capacitance between the floating electrode 110 and the semiconductor layer 100 is C 0 , the potential of the floating electrode 110 is
V F = (C 1 V C1 + C 2 V C2 ) / (C 0 + C 1 + C 2 )
It can be expressed. By making the voltage V C2 of the bias electrode 134 a negative voltage, the voltage V F of the floating electrode 110 can be set to a negative voltage when the voltage V C1 of the control electrode 132 is a positive voltage. V F corresponds to the gate voltage of the conventional structure, and V C1 corresponds to the gate voltage of the structure of the present embodiment. However, even if the threshold voltage is negative in the conventional structure, the threshold in the structure of the present embodiment. It can be seen that the value voltage can be made positive.

また、ドレイン電流をIdとすると、相互コンダクタンスgmは、
gm=∂Id/∂VC1=∂Id/∂V・∂V/∂VC1=∂Id/∂V・C1/(C+C+C)
と表せる。C>>C,Cの時、∂VF/∂VC1〜1となるので、
gm=∂Id/∂V
となる。∂Id/∂Vは従来構造での相互コンダクタンスであり、フローティング電極と制御電極132間の容量をそれ以外の容量より大きくすることで、相互コンダクタンスgmを従来構造と同程度に設計することができる。
If the drain current is Id, the mutual conductance gm is
gm = ∂Id / ∂V C1 = ∂Id / ∂V F · ∂V F / ∂V C1 = ∂Id / ∂V F · C1 / (C 0 + C 1 + C 2 )
It can be expressed. When C 1 >> C 0 , C 2 , it becomes ∂VF / ∂V C1 ~ 1,
gm = ∂Id / ∂V F
It becomes. ∂Id / ∂V F is the mutual conductance in the conventional structure, and by making the capacitance between the floating electrode and the control electrode 132 larger than other capacitances, the mutual conductance gm can be designed to the same level as in the conventional structure. it can.

また、本実施形態ではフローティング電極110には電荷が蓄積されていない場合を説明したが、フローティング電極110に負電荷を蓄積させることで、しきい値電圧を高くする方法も適宜組み合わせることも可能である。負電荷を蓄積する方法としては、制御電極132やバイアス電極134からのトンネル効果による電子注入等を用いることができる。更に本実施形態では、トランジスタ形成領域上に制御電極132を形成しているが、フローティング電極110と容量結合をしていれば良いので、必ずしもトランジスタ形成領域上にある必要はなく、素子分離膜101上に配置しても良い。   Further, in the present embodiment, the case where charges are not accumulated in the floating electrode 110 has been described. However, a method for increasing the threshold voltage by accumulating negative charges in the floating electrode 110 can be appropriately combined. is there. As a method for accumulating negative charges, electron injection by the tunnel effect from the control electrode 132 or the bias electrode 134 can be used. Furthermore, in this embodiment, the control electrode 132 is formed on the transistor formation region. However, the control electrode 132 only needs to be capacitively coupled to the floating electrode 110. It may be placed on top.

図6は、第2の実施形態に係る半導体装置を示す平面図である。図7は、図6のA−A´断面図である。尚、本実施形態に係る半導体装置には、図6に示した構成以外にも、層間絶縁膜や、他の素子等との電気的接続を行う為の配線等が設けられている。但し、それらの図示及び説明は省略している。本実施形態に係る半導体装置は、以下の点を除いて、第1の実施形態に示した半導体装置と同様の構成である。   FIG. 6 is a plan view showing the semiconductor device according to the second embodiment. FIG. 7 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. In addition to the configuration shown in FIG. 6, the semiconductor device according to the present embodiment is provided with an interlayer insulating film, wiring for making electrical connection with other elements, and the like. However, illustration and description thereof are omitted. The semiconductor device according to the present embodiment has the same configuration as the semiconductor device shown in the first embodiment except for the following points.

まず、フローティング電極110がショットキ型ではなくMIS型、すなわちフローティング電極110と半導体層102の間に絶縁膜103が形成されている。また制御電極132が複数(例えば2つ)設けられている。そしてバイアス電極134には一定の負電圧が印加され、制御電極132,133にはゼロまたは正の電圧が印加される。そしてこの半導体装置は、制御電極132,133の両方に正の電圧が印加された時にオン状態となるように設計されており、制御電極132と制御電極133を2入力とするAND回路となっている。   First, the floating electrode 110 is not the Schottky type but the MIS type, that is, the insulating film 103 is formed between the floating electrode 110 and the semiconductor layer 102. A plurality (for example, two) of control electrodes 132 are provided. A constant negative voltage is applied to the bias electrode 134, and a zero or positive voltage is applied to the control electrodes 132 and 133. This semiconductor device is designed to be turned on when a positive voltage is applied to both the control electrodes 132 and 133, and is an AND circuit having the control electrode 132 and the control electrode 133 as two inputs. Yes.

本実施形態によれば、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。また上記したようにAND回路を形成することができる。   According to this embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained. In addition, an AND circuit can be formed as described above.

なお、図6では制御電極132,133は、ソース電極106とドレイン電極104を結ぶ方向に並んで配置されているが、図8に示す様に、ソース電極106とドレイン電極104を結ぶ方向に対して垂直な方向に並んで配置されていてもよい。このように、制御電極132,133はフローティング電極110と容量結合されていれば、その配置は任意である。従って、素子分離上のフィールド領域に形成しても良い。また、制御電極132,133の数を増やすことで、多入力のAND回路を形成することもできる。   In FIG. 6, the control electrodes 132 and 133 are arranged side by side in the direction connecting the source electrode 106 and the drain electrode 104. However, as shown in FIG. May be arranged side by side in a vertical direction. As described above, the control electrodes 132 and 133 may be arranged arbitrarily as long as they are capacitively coupled to the floating electrode 110. Therefore, it may be formed in a field region on element isolation. In addition, a multi-input AND circuit can be formed by increasing the number of control electrodes 132 and 133.

また、本実施形態ではフローティング電極110には電荷が蓄積されていない場合を説明したが、フローティング電極110に負電荷を蓄積させることで、しきい値電圧を高くする方法も適宜組み合わせることも可能である。負電荷を蓄積する方法としては、制御電極132,133やバイアス電極134からのトンネル効果による電子注入等を用いることができる。更に、ゲート絶縁膜103を酸化膜/窒化膜/酸化膜の積層構造とし、窒化膜に負電荷を蓄積させることで、しきい値電圧を高くする方法も適宜組み合わせることも可能である。負電荷を蓄積する方法としては、半導体層102からのトンネル効果による電子注入等を用いることができる。更に本実施形態では、トランジスタ形成領域上に制御電極132,133を形成しているが、フローティング電極110と容量結合をしていれば良いので、必ずしもトランジスタ形成領域上にある必要はなく、素子分離膜101上に配置しても良い。   Further, in the present embodiment, the case where charges are not accumulated in the floating electrode 110 has been described. However, a method for increasing the threshold voltage by accumulating negative charges in the floating electrode 110 can be appropriately combined. is there. As a method for accumulating negative charges, electron injection by the tunnel effect from the control electrodes 132 and 133 and the bias electrode 134 can be used. Further, the gate insulating film 103 may have a stacked structure of oxide film / nitride film / oxide film, and a method of increasing the threshold voltage by accumulating negative charges in the nitride film may be appropriately combined. As a method for accumulating negative charges, electron injection from the semiconductor layer 102 by a tunnel effect or the like can be used. Furthermore, in this embodiment, the control electrodes 132 and 133 are formed on the transistor formation region. However, the control electrodes 132 and 133 need only be capacitively coupled to the floating electrode 110. You may arrange | position on the film | membrane 101. FIG.

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。   As mentioned above, although embodiment of this invention was described with reference to drawings, these are the illustrations of this invention, Various structures other than the above are also employable.

100 半導体層
101 素子分離膜
102 半導体層
103 絶縁膜
104 ドレイン電極
106 ソース電極
110 フローティング電極
120 絶縁層
132 制御電極
133 制御電極
134 バイアス電極
100 Semiconductor layer 101 Element isolation film 102 Semiconductor layer 103 Insulating film 104 Drain electrode 106 Source electrode 110 Floating electrode 120 Insulating layer 132 Control electrode 133 Control electrode 134 Bias electrode

Claims (8)

半導体層と、
前記半導体層上に形成されたフローティング電極と、
前記フローティング電極上に形成された絶縁層と、
前記絶縁層を介して前記フローティング電極の一部に対向することにより、前記フローティング電極と容量結合し、かつ前記フローティング電極が前記半導体層にチャネル領域を形成しない大きさの一定電圧が印加されるバイアス電極と、
前記絶縁層を介して前記フローティング電極の他の部分に対向することにより、前記フローティング電極と容量結合し、かつトランジスタのオン/オフを制御するための制御電圧が入力される制御電極と、
を備える半導体装置。
A semiconductor layer;
A floating electrode formed on the semiconductor layer;
An insulating layer formed on the floating electrode;
A bias that is capacitively coupled to the floating electrode by facing a part of the floating electrode through the insulating layer and is applied with a constant voltage that does not form a channel region in the semiconductor layer. Electrodes,
A control electrode that is capacitively coupled to the floating electrode by facing the other part of the floating electrode through the insulating layer and receives a control voltage for controlling on / off of the transistor;
A semiconductor device comprising:
請求項1に記載の半導体装置において、
前記制御電極は、前記フローティング電極が前記半導体層にチャネル領域を形成する大きさの電圧が印加可能である半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The control electrode is a semiconductor device to which a voltage having a magnitude that allows the floating electrode to form a channel region in the semiconductor layer can be applied.
請求項1または2に記載の半導体装置において、
前記フローティング電極と前記制御電極の間の容量は、前記フローティング電極と前記バイアス電極の間の容量よりも大きい半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1 or 2,
A semiconductor device in which a capacitance between the floating electrode and the control electrode is larger than a capacitance between the floating electrode and the bias electrode.
請求項3に記載の半導体装置において、
前記制御電極のうち前記フローティング電極に対向する部分の面積は、前記バイアス電極のうち前記フローティング電極に対向する部分の面積よりも大きい半導体装置。
The semiconductor device according to claim 3.
A semiconductor device in which an area of a portion of the control electrode facing the floating electrode is larger than an area of a portion of the bias electrode facing the floating electrode.
請求項1〜4のいずれか一項に記載の半導体装置において、
前記フローティング電極は負電荷が蓄積される半導体装置。
In the semiconductor device according to any one of claims 1 to 4,
The floating electrode is a semiconductor device in which negative charges are accumulated.
請求項1〜5のいずれか一項に記載の半導体装置において、
複数の前記制御電極を有しており、
前記複数の制御電極に前記トランジスタをオンするための制御電圧が入力されたときに、前記トランジスタがオンする半導体装置。
In the semiconductor device according to any one of claims 1 to 5,
A plurality of the control electrodes;
A semiconductor device in which a transistor is turned on when a control voltage for turning on the transistor is input to the plurality of control electrodes.
半導体層と、
前記半導体層上に形成されたフローティング電極と、
前記フローティング電極上に形成された絶縁層と、
前記絶縁層を介して前記フローティング電極の一部に対向することにより、前記フローティング電極と容量結合するバイアス電極と、
前記絶縁層を介して前記フローティング電極の他の部分に対向することにより、前記フローティング電極と容量結合する制御電極と、
を備え、
前記制御電極と前記フローティング電極の間に形成される容量は、前記バイアス電極と前記フローティング電極の間に形成される容量よりも大きい半導体装置。
A semiconductor layer;
A floating electrode formed on the semiconductor layer;
An insulating layer formed on the floating electrode;
A bias electrode capacitively coupled to the floating electrode by facing a part of the floating electrode through the insulating layer;
A control electrode capacitively coupled to the floating electrode by facing the other part of the floating electrode through the insulating layer;
With
A semiconductor device in which a capacitance formed between the control electrode and the floating electrode is larger than a capacitance formed between the bias electrode and the floating electrode.
半導体層と、
前記半導体層上に形成されたフローティング電極と、
前記フローティング電極上に形成された絶縁層と、
前記絶縁層を介して前記フローティング電極の一部に対向することにより、前記フローティング電極と容量結合するバイアス電極と、
前記絶縁層を介して前記フローティング電極の他の部分に対向することにより、前記フローティング電極と容量結合する制御電極と、
を有するトランジスタを備える半導体装置において、
前記バイアス電極に、前記フローティング電極が前記半導体層にチャネル領域を形成しない大きさの電圧を印加しつつ、前記制御電極に印加する電圧の大きさを制御することにより前記トランジスタのオン/オフを制御する、半導体装置の動作方法。

A semiconductor layer;
A floating electrode formed on the semiconductor layer;
An insulating layer formed on the floating electrode;
A bias electrode capacitively coupled to the floating electrode by facing a part of the floating electrode through the insulating layer;
A control electrode capacitively coupled to the floating electrode by facing the other part of the floating electrode through the insulating layer;
In a semiconductor device comprising a transistor having
On / off of the transistor is controlled by controlling the voltage applied to the control electrode while applying a voltage to the bias electrode such that the floating electrode does not form a channel region in the semiconductor layer. A method for operating a semiconductor device.

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