JP2023155985A - SiC complementary field effect transistor - Google Patents

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光顕 金子
Mitsuaki Kaneko
大雅 松岡
Taiga Matsuoka
恒暢 木本
Tsunenobu Kimoto
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Abstract

To provide a SiC complementary field effect transistor that can operate stably over a wide temperature range.SOLUTION: In a SiC complementary field effect transistor in which a normally-off type n-channel field effect transistor 1a and a p-channel field effect transistor 1b are formed on a SiC substrate 10, the p-type impurity doped in the channel region of the p-channel field effect transistor is Al (aluminum) or B (boron), the first n-type impurity doped into the channel region 13 of the n-channel field effect transistor is S (sulfur), and a second n-type impurity having a shallower energy level than S (sulfur) is codoped into the first n-type impurity.SELECTED DRAWING: Figure 12

Description

本発明は、炭化珪素(SiC)基板を用いて形成されたSiC相補型電界効果トランジスタに関する。 The present invention relates to a SiC complementary field effect transistor formed using a silicon carbide (SiC) substrate.

現在の半導体集積回路は、主にシリコン(Si)で作製されているが、産業分野においては、自動車や航空機のエンジン制御、自動車タイヤのモニター、宇宙用エレクトロニクスなど、Siでは実現不可能な200℃以上の高温において動作する集積回路が渇望されている。 Current semiconductor integrated circuits are mainly made of silicon (Si), but in the industrial field, they are used for applications such as automobile and aircraft engine control, automobile tire monitors, and space electronics, which are impossible to achieve with Si. There is a need for integrated circuits that operate at higher temperatures.

SiCは、バンドギャップがSiに比べて約3倍高いため、500℃以上の高温環境下で動作する集積回路が作製可能である。 Since SiC has a bandgap about three times higher than that of Si, it is possible to fabricate an integrated circuit that operates in a high-temperature environment of 500° C. or higher.

SiC基板を用いて作製した集積回路として、例えば、非特許文献1には、相補型MOSFETで構成された集積回路が開示されている。また、特許文献1には、nチャネルJFETとpチャネルJFETとを半絶縁性のSiC層で絶縁分離した相補型JFETが開示されている。 As an integrated circuit manufactured using a SiC substrate, for example, Non-Patent Document 1 discloses an integrated circuit configured with complementary MOSFETs. Further, Patent Document 1 discloses a complementary JFET in which an n-channel JFET and a p-channel JFET are insulated and separated by a semi-insulating SiC layer.

特開2011-166025号公報Japanese Patent Application Publication No. 2011-166025

S.H. Ryu et al., IEEE Trans. Electron Devices, vol.45 (1998), p.45.S.H. Ryu et al., IEEE Trans. Electron Devices, vol.45 (1998), p.45.

非特許文献1に開示された相補型MOSFETは、SiC基板とゲート酸化膜との界面に高密度の欠陥や電荷が存在するため、しきい値電圧が温度により大きく変動し、安定した動作ができないという問題がある。また、ゲート酸化膜が高温で劣化するという問題もある。 The complementary MOSFET disclosed in Non-Patent Document 1 has a high density of defects and charges at the interface between the SiC substrate and the gate oxide film, so the threshold voltage fluctuates greatly depending on the temperature and cannot operate stably. There is a problem. Another problem is that the gate oxide film deteriorates at high temperatures.

特許文献1に開示された相補型JFETは、nチャネルJFETとpチャネルJFETとを、ホットウォールCVD法で形成されたイントリンシックSiC層で絶縁分離する構造になっており、微細なトレンチ形成、埋め込み成長、表面平坦化研磨を繰り返す必要があるため、作製プロセスが非常に複雑になるという問題がある。 The complementary JFET disclosed in Patent Document 1 has a structure in which an n-channel JFET and a p-channel JFET are insulated and separated by an intrinsic SiC layer formed by a hot-wall CVD method, and the structure is such that a fine trench is formed and buried. There is a problem in that the manufacturing process becomes extremely complicated because growth and surface flattening polishing must be repeated.

今まで、SiC基板を用いた相補型電界効果トランジスタに関する研究はいくつか報告されているが、高温動作が確認されたに留まり、広い温度範囲において、安定した動作が可能な相補型電界効果トランジスタは実現できていない。 Until now, several studies on complementary field effect transistors using SiC substrates have been reported, but high temperature operation has only been confirmed, and complementary field effect transistors that can operate stably over a wide temperature range are It has not been achieved.

本発明は、上記課題に鑑みなされたもので、その主な目的は、広い温度範囲において、安定した動作が可能なSiC相補型電界効果トランジスタを提供することにある。 The present invention was made in view of the above problems, and its main purpose is to provide a SiC complementary field effect transistor that can operate stably over a wide temperature range.

本発明に係るSiC相補型電界効果トランジスタは、SiC基板に、ノーマリオフ型のnチャネル電界効果トランジスタ、及びpチャネル電界効果トランジスタが形成されたSiC相補型電界効果トランジスタであって、pチャネル電界効果トランジスタのチャネル領域にドープされたp型不純物がAl(アルミニウム)またはB(ボロン)であって、nチャネル電界効果トランジスタのチャネル領域にドープされた第1のn型不純物がS(硫黄)であって、第1のn型不純物に、S(硫黄)よりもエネルギー準位が浅い第2のn型不純物がコドープされている。 A SiC complementary field effect transistor according to the present invention is a SiC complementary field effect transistor in which a normally-off type n-channel field effect transistor and a p-channel field effect transistor are formed on a SiC substrate, the p-channel field effect transistor The p-type impurity doped into the channel region of the n-channel field effect transistor is Al (aluminum) or B (boron), and the first n-type impurity doped into the channel region of the n-channel field effect transistor is S (sulfur). , the first n-type impurity is codoped with a second n-type impurity having a shallower energy level than S (sulfur).

本発明によれば、広い温度範囲において、安定した動作が可能なSiC相補型電界効果トランジスタを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a SiC complementary field effect transistor that can operate stably over a wide temperature range.

(A)~(C)は、先の出願の明細書に開示したSiC JFETの構造を示した図である。(A) to (C) are diagrams showing the structure of the SiC JFET disclosed in the specification of the previous application. 相補型JFETからなるインバータ回路を示した回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram showing an inverter circuit including complementary JFETs. インバータ回路の入出力特性の温度特性を示したグラフである。5 is a graph showing temperature characteristics of input/output characteristics of an inverter circuit. キャリア密度の温度依存性を示したグラフである。3 is a graph showing the temperature dependence of carrier density. キャリア密度の温度依存性を示したグラフである。3 is a graph showing the temperature dependence of carrier density. インバータ回路の入出力特性の温度特性を示したグラフである。5 is a graph showing temperature characteristics of input/output characteristics of an inverter circuit. (A)、(B)は、ホール効果測定用素子の構造を示した図である。(A) and (B) are diagrams showing the structure of an element for measuring the Hall effect. キャリア密度の温度依存性を示したグラフである。3 is a graph showing the temperature dependence of carrier density. インバータ回路における最高動作周波数の温度依存性を示したグラフである。7 is a graph showing the temperature dependence of the maximum operating frequency in an inverter circuit. キャリア密度の温度依存性を示したグラフである。3 is a graph showing the temperature dependence of carrier density. チャネル領域に、SとNとをコドープしたときのエネルギーバンド構造を示した図である。FIG. 3 is a diagram showing an energy band structure when a channel region is codoped with S and N. キャリア密度の温度依存性を示したグラフである。3 is a graph showing the temperature dependence of carrier density. インバータ回路における最高動作周波数の温度依存性を示したグラフである。7 is a graph showing the temperature dependence of the maximum operating frequency in an inverter circuit. インバータ回路の論理閾値電圧の温度依存性を示したグラフである。7 is a graph showing the temperature dependence of the logic threshold voltage of an inverter circuit. n型コドープ層の形成工程を示した図である。It is a figure showing the formation process of an n-type codope layer. n型コドープ層における不純物密度の深さ方向の分布を示したグラフである。3 is a graph showing the distribution of impurity density in the depth direction in an n-type codoped layer. キャリア密度の温度依存性を示したグラフである。3 is a graph showing the temperature dependence of carrier density. キャリア密度の温度依存性を示したグラフである。3 is a graph showing the temperature dependence of carrier density.

本願出願人は、ノーマリオフ化を容易にするSiC接合型電界効果トランジスタ(以下、「SiC JFET」という)の構造を、先の出願の明細書(特開2019-091873)に開示している。 The applicant of the present application has disclosed the structure of a SiC junction field effect transistor (hereinafter referred to as "SiC JFET") that facilitates normally-off operation in the specification of the previous application (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2019-091873).

図1(A)~(C)は、その明細書に開示したSiC JFETの構造を示した図で、図1(A)は、nチャネルJFETの平面図、図1(B)は、図1(A)の線B-Bに沿った断面図、図1(C)は、図1(A)の線C-Cに沿った断面図である。 1(A) to 1(C) are diagrams showing the structure of the SiC JFET disclosed in the specification, FIG. 1(A) is a plan view of the n-channel JFET, and FIG. 1(B) is the diagram of FIG. 1(A) is a cross-sectional view taken along line BB, and FIG. 1(C) is a cross-sectional view taken along line CC in FIG. 1(A).

図1(A)~(C)に示すように、nチャネルJFET1は、SiC基板10に形成されたn型の埋込チャネル領域13と、埋込チャネル領域13を挟んで、互いに対向して形成されたn型のソース領域11及びドレイン領域12と、ソース領域11及びドレイン領域12が対向する方向と垂直な方向に形成された一対のp型のゲート領域14a、14bとを備えている。pチャネルJFETも、同様の構造を備えている。 As shown in FIGS. 1A to 1C, the n-channel JFET 1 has an n-type buried channel region 13 formed in a SiC substrate 10, and is formed facing each other with the buried channel region 13 in between. n + type source region 11 and drain region 12, and a pair of p + type gate regions 14a and 14b formed in a direction perpendicular to the direction in which the source region 11 and drain region 12 face each other. . A p-channel JFET also has a similar structure.

nチャネルJFET1において、一対のゲート領域14a、14bの幅Lがチャネル長、一対のゲート領域14a、14bに挟まれた距離Dがチャネル厚さ、埋込チャネル領域13の深さ方向の距離Wがチャネル幅となる。 In the n-channel JFET 1, the width L of the pair of gate regions 14a and 14b is the channel length, the distance D between the pair of gate regions 14a and 14b is the channel thickness, and the distance W in the depth direction of the buried channel region 13 is the channel length. Channel width.

埋込チャネル領域13内の空乏層の広がりは、埋込チャネル領域13の両側に形成された一対のゲート領域14a、14bに印加するゲート電圧によって制御される。埋込チャネル領域13の不純物濃度N、及びチャネル厚さDを調整することによって、ノーマリオフ型のSiC JFETを実現することができる。具体的には、埋込チャネル領域13の不純物濃度N(cm-3)、及びチャネル厚さD(cm)を、N(D/2)<3×10cm-1を満たすように設定すればよい。 The spread of the depletion layer within the buried channel region 13 is controlled by a gate voltage applied to a pair of gate regions 14a and 14b formed on both sides of the buried channel region 13. By adjusting the impurity concentration N and channel thickness D of the buried channel region 13, a normally-off type SiC JFET can be realized. Specifically, the impurity concentration N (cm −3 ) and channel thickness D (cm) of the buried channel region 13 are set to satisfy N(D/2) 2 <3×10 7 cm −1 . do it.

なお、図1(A)~(C)に示したnチャネルJFET1では、チャネル領域を埋込チャネル領域13としたが、チャネル領域は、SiC基板10の表面まで広がっていてもよい。 Note that in the n-channel JFET 1 shown in FIGS. 1A to 1C, the channel region is the buried channel region 13, but the channel region may extend to the surface of the SiC substrate 10.

図2は、ノーマリオフ型のnチャネルJFET1aと、ノーマリオフ型のpチャネルJFET1bとで構成した相補型JFETからなるインバータ回路を示す。nチャネルJFET1a及びpチャネルJFET1bのゲート電極は、インバータ回路の入力端子Vinに接続されている。nチャネルJFET1a及びpチャネルJFET1bのドレイン電極Dは、インバータ回路の出力端子Voutに接続されている。nチャネルJFET1aのソース電極Sはグランドに接続され、pチャネルJFET1bのソース電極Sは電源(VDD)に接続されている。 FIG. 2 shows an inverter circuit composed of complementary JFETs including a normally-off type n-channel JFET 1a and a normally-off type p-channel JFET 1b. The gate electrodes of the n-channel JFET1a and the p-channel JFET1b are connected to the input terminal V in of the inverter circuit. Drain electrodes D of the n-channel JFET 1a and the p-channel JFET 1b are connected to the output terminal V out of the inverter circuit. The source electrode S of the n-channel JFET 1a is connected to the ground, and the source electrode S of the p-channel JFET 1b is connected to the power supply (V DD ).

通常、インバータ回路は、論理閾値電圧Vthが、電源電圧VDDの1/2になるように設計される。この場合、nチャネルJFET1a及びpチャネルJFET1bの飽和電流IDn、IDpは等しい。ここで、IDn、IDpは、以下の式(1)、(2)で表される。 Typically, an inverter circuit is designed such that the logic threshold voltage V th is 1/2 of the power supply voltage V DD . In this case, the saturation currents I Dn and I Dp of the n-channel JFET 1a and the p-channel JFET 1b are equal. Here, I Dn and I Dp are expressed by the following formulas (1) and (2).

上記式(1)、(2)において、Vはゲート電圧、VTn、VTpは、nチャネルJFET1a及びpチャネルJFET1bの閾値電圧、β、βは、nチャネルJFET1a及びpチャネルJFET1bのベータ値(利得)である。 In the above equations (1) and (2), V G is the gate voltage, V Tn and V Tp are the threshold voltages of n-channel JFET1a and p-channel JFET1b, and β n and β p are the gate voltages of n-channel JFET1a and p-channel JFET1b. It is the beta value (gain).

nチャネルJFET1aのゲート電極にはVin、pチャネルJFET1bのゲート電極にはVin-VDDの電圧が印加されるため、上記式(1)、(2)を用いて、IDn=IDpから、以下の式(3)が得られる。 Since a voltage of V in is applied to the gate electrode of the n-channel JFET 1a and a voltage of V in -V DD is applied to the gate electrode of the p-channel JFET 1b, using the above equations (1) and (2), I Dn = I Dp From this, the following equation (3) is obtained.

上記式(3)から、インバータ回路の論理閾値電圧Vthは、以下の式(4)で表される。 From the above equation (3), the logic threshold voltage V th of the inverter circuit is expressed by the following equation (4).

また、βは、図1(A)~(C)に示した構造のJFETにおける物性値や構造寸法を用いて、以下の式(5)で求められる。 Further, β R is determined by the following equation (5) using the physical property values and structural dimensions of the JFET having the structure shown in FIGS. 1(A) to (C).

上記式(5)において、各パラメータは、以下の通りである。なお、添字n、pは、nチャネルJFET、pチャネルJFETのパラメータを示す。 In the above formula (5), each parameter is as follows. Note that subscripts n and p indicate parameters of the n-channel JFET and the p-channel JFET.

μ、μ:電子、正孔の移動度
、p:電子密度、正孔密度
、W:チャネル幅
、L:チャネル長
、D:チャネル厚さ
、N:チャネル領域13の不純物密度
図3は、図2に示したインバータ回路の入出力特性の温度特性を、上記式(4)を用いて計算により求めたグラフである。ここで、インバータ回路の入出力特性は、周知の電流-電圧特性の式を用いて計算した。
μ n , μ p : Mobility of electrons and holes n n , p p : Electron density, hole density W n , W p : Channel width L n , L p : Channel length D n , D p : Channel thickness N D , N A : impurity density of channel region 13 FIG. 3 is a graph obtained by calculating the temperature characteristics of the input/output characteristics of the inverter circuit shown in FIG. 2 using the above equation (4). Here, the input/output characteristics of the inverter circuit were calculated using a well-known formula for current-voltage characteristics.

図3に示すように、論理閾値電圧Vthは、温度が高くなるにつれて、1Vから大きくシフトしている。この主な要因は、上記式(4)において、パラメータβの温度依存性が大きいことによる。 As shown in FIG. 3, the logic threshold voltage V th shifts significantly from 1V as the temperature increases. The main reason for this is that the parameter β R has a large temperature dependence in the above equation (4).

図4は、SiC JFETにおいて、電子及び正孔のキャリア密度の温度依存性を計算により求めたグラフである。ここで、Aで示したグラフが電子密度n、Bで示したグラフが正孔密度pを示す。n型不純物(ドナー)はP(リン)、p型不純物(アクセプター)はAl(アルミニウム)である。なお、n及びpの計算は、以下の式(6)、(7)を用いて行った。 FIG. 4 is a graph obtained by calculating the temperature dependence of carrier density of electrons and holes in a SiC JFET. Here, the graph indicated by A indicates the electron density n n and the graph indicated by B indicates the hole density p p . The n-type impurity (donor) is P (phosphorus), and the p-type impurity (acceptor) is Al (aluminum). Note that n n and p p were calculated using the following equations (6) and (7).

上記式(6)、(7)において、iは、4H-SiCにおける2つのサイト(i = h、kサイト)を表し、式中の各パラメータは、以下の通りである。 In the above formulas (6) and (7), i represents two sites in 4H-SiC (i = h, k site), and each parameter in the formula is as follows.

:ドナー(アクセプタ)準位の縮退度
di、Nai:ドナー密度、アクセプタ密度
、Nv :伝導帯の有効状態密度、価電子帯の有効状態
n、pp:電子密度、正孔密度
ΔE:イオン化エネルギー
図4に示すように、電子密度nは、広い温度範囲においてほぼ一定であるのに対し、正孔密度pは、室温から高温にかけて大きく変化している。これは、n型不純物のエネルギー準位が、伝導帯端から浅く(ΔE:約60meV)、イオン化率が大きいのに対し、p型不純物のエネルギー準位が、価電子帯端から深く(ΔE:約200meV)、イオン化率が小さいためである。そのため、正孔密度pのみが温度変化が大きく、式(5)に示すように、β(∝n/p)の温度変化は、正孔密度pの温度変化が支配的となる。
g i : degree of degeneracy of donor (acceptor) level
N di , N ai : Donor density, acceptor density N c , N v : Effective state density of conduction band, effective state of valence band
n n , p p : Electron density, hole density ΔE i : Ionization energy As shown in Figure 4, the electron density n n is almost constant over a wide temperature range, whereas the hole density p p is constant at room temperature. It changes greatly from high to high temperatures. This is because the energy level of n-type impurities is shallow from the conduction band edge (ΔE i : about 60 meV) and has a high ionization rate, whereas the energy level of p-type impurities is deep from the valence band edge (ΔE i : about 200 meV), and the ionization rate is low. Therefore, only the hole density p p has a large temperature change, and as shown in equation (5), the temperature change of β R (∝n n /p p ) is dominated by the temperature change of the hole density p p . Become.

本願出願人は、n型不純物として、p型不純物と同じように深いエネルギー準位を有する不純物を用いることによって、論理閾値電圧Vthの温度変化を抑制する方法を、先の出願の明細書(特開2021-197517)に開示している。 The applicant of the present application has proposed a method for suppressing the temperature change in the logic threshold voltage V th by using an impurity having a deep energy level similar to the p-type impurity as the n-type impurity in the specification of the previous application ( It is disclosed in JP 2021-197517).

図5は、n型不純物として、深いエネルギー準位を有する仮想的なドナーを仮定し、p型不純物としてAlを用いた場合の電子および正孔密度の温度依存性を、計算により求めたグラフである。なお、仮想的なドナーのエネルギー準位は、伝導帯端から約260meVと仮定している。ここで、Aで示したグラフが正孔密度p、Bで示したグラフが電子密度nを示す。図5に示すように、電子密度n、及び正孔密度pは、室温から高温にかけて、広い温度範囲でほぼ同じように変化する。 Figure 5 is a calculated graph of the temperature dependence of electron and hole density when a virtual donor with a deep energy level is assumed as the n-type impurity and Al is used as the p-type impurity. be. Note that the energy level of the virtual donor is assumed to be approximately 260 meV from the conduction band edge. Here, the graph indicated by A indicates the hole density p p and the graph indicated by B indicates the electron density n n . As shown in FIG. 5, the electron density n n and the hole density p p change in almost the same way over a wide temperature range from room temperature to high temperature.

図6は、n型不純物として上記の仮想的なドナー、p型不純物としてAlを用いた場合のインバータ回路の入出力特性の温度特性を、周知の電流-電圧特性の式を用いて計算で求めたグラフである。図6に示すように、論理閾値電圧Vthは、広い温度範囲で、約1Vになっている。 Figure 6 shows the temperature characteristics of the input/output characteristics of an inverter circuit when the above-mentioned virtual donor is used as an n-type impurity and Al is used as a p-type impurity, calculated using a well-known formula for current-voltage characteristics. This is a graph. As shown in FIG. 6, the logical threshold voltage V th is approximately 1V over a wide temperature range.

このように、n型不純物として、p型不純物と同じように深いエネルギー準位を有する不純物を用いることによって、広い温度範囲において、論理閾値電圧Vthの変動を大幅に抑制することができる。 In this way, by using an impurity having a deep energy level like the p-type impurity as the n-type impurity, fluctuations in the logic threshold voltage V th can be significantly suppressed over a wide temperature range.

(深いエネルギー準位を有するn型不純物の実験的探索)
従来、n型不純物として使用されていたN(窒素)やP(リン)以外の不純物として、S(硫黄)、As(砒素)、及びSb(アンチモン)のエネルギー準位を、よく知られたホール効果測定により求めた。
(Experimental search for n-type impurities with deep energy levels)
The energy levels of S (sulfur), As (arsenic), and Sb (antimony) as impurities other than N (nitrogen) and P (phosphorus), which have conventionally been used as n-type impurities, can be changed using the well-known hole method. It was determined by effect measurement.

図7(A)、(B)は、ホール効果測定用素子の構造を示した図で、図7(A)は平面図、図7(B)は断面図である。 7(A) and 7(B) are diagrams showing the structure of the Hall effect measuring element, with FIG. 7(A) being a plan view and FIG. 7(B) being a sectional view.

図7(A)、(B)に示すように、n型の4H-SiC(0001)基板10に、p型エピタキシャル層20を形成した後、p型エピタキシャル層20に、S、As、及びSbをそれぞれイオン注入し、形成されたn型ドープ層30を、クローバー形にパターニングして、パターンの四隅にそれぞれ4つの電極40を形成した。 As shown in FIGS. 7A and 7B, after forming a p-type epitaxial layer 20 on an n-type 4H-SiC (0001) substrate 10, S, As, and Sb are added to the p-type epitaxial layer 20. The formed n-type doped layer 30 was patterned into a clover shape, and four electrodes 40 were formed at each of the four corners of the pattern.

図8は、ホール効果測定により求めた、S、As、及びSb不純物がドープされたSiCのキャリア密度の温度依存性をそれぞれ示したグラフである。 FIG. 8 is a graph showing the temperature dependence of the carrier density of SiC doped with S, As, and Sb impurities, determined by Hall effect measurement.

図8に示すように、As及びSbは、キャリア密度の温度依存性はほとんどなかったのに対し、Sは、キャリア密度の温度依存性が大きかった。これにより、As及びSbは、N及びPと同様に、エネルギー準位が浅いのに対し、Sは、エネルギー準位が深いことが実証された。 As shown in FIG. 8, the carrier density of As and Sb had almost no temperature dependence, whereas the carrier density of S had a large temperature dependence. This demonstrated that As and Sb, like N and P, have shallow energy levels, whereas S has a deep energy level.

次に、Sについて、測定されたデータを、キャリア密度の温度依存式にフィッティングして、Sのイオン化エネルギーを求めた。なお、16族のSは1つのサイトに対して、エネルギー準位が2つあるため、キャリア密度の温度依存式は、以下の式(8)を用いた。 Next, the ionization energy of S was determined by fitting the measured data to a temperature-dependent equation of carrier density. Note that since S in group 16 has two energy levels for one site, the following equation (8) was used as the temperature dependence equation for carrier density.

ここで、fi,mは、4H-SiCにおける2つのサイト(i = h、kサイト)および2つのエネルギー準位(m=1、2)を考えて、以下の式(9)で表される。 Here, f i,m is expressed by the following equation (9) considering two sites (i = h, k site) and two energy levels (m = 1, 2) in 4H-SiC. Ru.

ここで、g'i,mは、2つのエネルギー準位に対して、それぞれ、以下に示す値となる。 Here, g' i,m has the following values for the two energy levels.

表1は、フィッティングにより求めたSのイオン化エネルギー(ΔEdi,m)を示した表である。ここで、i=h、kは、それぞれ、4H-SiCの2つのサイトを表す。表1から、Sは、340meV以上の深いエネルギー準位を有することが実証された。 Table 1 is a table showing the ionization energy (ΔE di,m ) of S determined by fitting. Here, i=h and k each represent two sites of 4H-SiC. From Table 1, it was demonstrated that S has a deep energy level of 340 meV or more.

(インバータ回路の最高動作周波数)
上述したように、nチャネルJFETのチャネル領域にドープされるn型不純物に、エネルギー準位の深いSを用いることによって、図2に示したインバータ回路における論理閾値電圧Vthの温度変化を抑制することができるが、本願発明者等は、インバータ回路における最高動作周波数が、室温付近において大きく減少するという新たな課題を見出した。
(Maximum operating frequency of inverter circuit)
As described above, by using S, which has a deep energy level, as the n-type impurity doped into the channel region of the n-channel JFET, temperature changes in the logical threshold voltage V th in the inverter circuit shown in FIG. 2 are suppressed. However, the inventors of the present application have discovered a new problem in that the maximum operating frequency in the inverter circuit is significantly reduced near room temperature.

図9は、以下の式(10)を用いて、インバータ回路における最高動作周波数fmaxの温度依存性を計算により求めたグラフである。Aで示したグラフは、チャネル領域にドープされるn型不純物として、エネルギー準位の浅いNを用いたときの温度依存性を示し、Bで示したグラフは、チャネル領域にドープされるn型不純物として、エネルギー準位の深いSを用いたときの温度依存性を示す。 FIG. 9 is a graph obtained by calculating the temperature dependence of the maximum operating frequency f max in the inverter circuit using the following equation (10). The graph marked A shows the temperature dependence when N with a shallow energy level is used as the n-type impurity doped into the channel region, and the graph marked B shows the temperature dependence when N is used as the n-type impurity doped into the channel region. The temperature dependence when S, which has a deep energy level, is used as an impurity is shown.

ここで、tは立ち上がり時間で、tは立ち下がり時間を表し、t及びtはそれぞれ、以下の式(11)により求められる。 Here, t r is the rise time, t f is the fall time, and t r and t f are each calculated by the following equation (11).

ここで、Cは負荷容量で、上記の計算では、C=550fFと仮定した。 Here, C is the load capacitance, and in the above calculation, it was assumed that C=550 fF.

図9に示すように、n型不純物にSを用いたときの最高動作周波数fmaxは、Nを用いたときより、室温付近において大きく減少していることが分かる。 As shown in FIG. 9, it can be seen that the maximum operating frequency f max when S is used as the n-type impurity is significantly lower near room temperature than when N is used.

これは、図10に示すように、エネルギー準位の浅い(イオン化エネルギーの小さい)Nでは、キャリア密度の温度変化がほとんどないのに対し、エネルギー準位の深い(イオン化エネルギーの大きい)Sでは、室温付近におけるキャリア密度が大きく減少しているためと考えられる。 This is because, as shown in Figure 10, in N with a shallow energy level (low ionization energy), there is almost no change in carrier density with temperature, whereas in S with a deep energy level (high ionization energy), This is thought to be due to the large decrease in carrier density near room temperature.

すなわち、上記式(5)に示すように、βの温度変化は、キャリア密度nの温度変化に大きく依存するため、上記式(11)に示すように、n型不純物にSを用いたときの立ち下がり時間tが、室温付近において大きく増加し、これにより、最高動作周波数fmaxが大きく減少したものと考えられる。 That is, as shown in the above equation (5), the temperature change in β n largely depends on the temperature change in the carrier density n, so as shown in the above equation (11), when S is used as the n-type impurity, It is considered that the fall time tf of t f increases significantly near room temperature, and as a result, the maximum operating frequency f max decreases significantly.

本願発明者等は、n型不純物にエネルギー準位の深いSを用いた場合、室温付近におけるキャリア密度が大きく減少することに着目し、室温付近におけるキャリア密度を補填するn型不純物として、エネルギー準位の浅いn型不純物をコドープすることによって、最高動作周波数fmaxの室温付近における減少を抑制できると考え、本発明を想到するに至った。 The inventors of the present application focused on the fact that when S, which has a deep energy level, is used as an n-type impurity, the carrier density near room temperature decreases significantly, and the inventors of the present application focused on using S as an n-type impurity with an energy level of The present invention was conceived based on the idea that by codoping a shallow n-type impurity, the decrease in the maximum operating frequency f max near room temperature can be suppressed.

図11は、チャネル領域に、エネルギー準位Ed1の深いn型不純物(第1のn型不純物)としてS、及び、エネルギー準位Ed2の浅いn型不純物(第2のn型不純物)としてNを、コドープしたときのエネルギーバンド構造を示した図である。なお、Nの不純物密度、及びSの不純物密度は、特に限定されないが、典型的には、Nの不純物密度が、Sの不純物密度よりも少なく設定される。 FIG. 11 shows S as a deep n-type impurity (first n-type impurity) at energy level E d1 and shallow n-type impurity (second n-type impurity) at energy level E d2 in the channel region. FIG. 3 is a diagram showing an energy band structure when N is codoped. Although the impurity density of N and the impurity density of S are not particularly limited, typically the impurity density of N is set lower than the impurity density of S.

図11に示すように、伝導帯には、イオン化されたSによるキャリアと、イオン化されたNによるキャリア(電子)が存在するが、典型的には、室温付近においては、Nによるキャリア(電子)の方が多く存在する。従って、室温付近におけるキャリア密度は、Nによるキャリア密度が支配的になる。 As shown in FIG. 11, in the conduction band, there are carriers (electrons) due to ionized S + and carriers (electrons) due to ionized N + . Typically, near room temperature, carriers due to N + There are more (electrons). Therefore, the carrier density near room temperature is dominated by the carrier density due to N + .

図12は、チャネル領域に、n型不純物として、エネルギー準位Ed1の深いSと、エネルギー準位Ed2の浅いNとを、コドープしたときのキャリア密度の温度依存性を計算により求めたグラフである。 FIG. 12 is a graph obtained by calculation of the temperature dependence of carrier density when the channel region is codoped with deep S at energy level E d1 and shallow N at energy level E d2 as n-type impurities. It is.

ここで、Aで示したグラフは、上記式(8)を用いて計算したSのキャリア密度nの温度依存性を示し、Aで示したグラフは、上記式(6)を用いて計算したNのキャリア密度nの温度依存性を示し、Aで示したグラフは、SとNとをコドープしたときのキャリア密度n(n=n+n)の温度依存性を示す。また、Bで示したグラフは、上記式(7)を用いて計算したAl(p型不純物)をドープしたときのキャリア密度pの温度依存性を示す。 Here, the graph indicated by A 1 shows the temperature dependence of the carrier density n 1 of S calculated using the above equation (8), and the graph indicated by A 2 shows the temperature dependence of the carrier density n 1 calculated using the above equation (6). The calculated temperature dependence of the carrier density n 2 of N is shown, and the graph indicated by A shows the temperature dependence of the carrier density n (n=n 1 +n 2 ) when S and N are codoped. Further, the graph indicated by B shows the temperature dependence of the carrier density p when doping with Al (p-type impurity) calculated using the above equation (7).

なお、上記式(8)、式(6)及び式(7)において、Sの不純物濃度Ndsは、5.0×1016cm-3とし、Nの不純物濃度NdNは、3.0×1015cm-3とし、Nの不純物濃度NdNは、5.0×1016cm-3として計算した。また、後述する補償欠陥密度は0cm-3と仮定した。 In the above formulas (8), (6), and (7), the impurity concentration N ds of S is 5.0×10 16 cm −3 , and the impurity concentration N dN of N is 3.0× The impurity concentration N dN was calculated as 5.0 × 10 16 cm −3 . Further, the compensation defect density, which will be described later, was assumed to be 0 cm -3 .

図12に示すように、室温付近において、SとNとをコドープしたときのキャリア密度は、Sだけをドープしたときのキャリア密度よりも増加しており、SとNとをコドープしたときの実効的なイオン化エネルギーが、低下していると言える。 As shown in FIG. 12, near room temperature, the carrier density when S and N are codoped is higher than the carrier density when only S is doped, and the effective It can be said that the ionization energy is decreasing.

図13は、チャネル領域に、n型不純物として、エネルギー準位の深いSと、エネルギー準位の浅いNとを、コドープしたときの最高動作周波数の温度依存性を計算により求めたグラフである。ここで、Aで示したグラフは、Sのみをドープしたときの温度依存性を示し、Bで示したグラフは、SとNとをコドープしたときの温度依存性を示す。 FIG. 13 is a graph obtained by calculating the temperature dependence of the maximum operating frequency when the channel region is co-doped with S having a deep energy level and N having a shallow energy level as n-type impurities. Here, the graph shown by A shows the temperature dependence when only S is doped, and the graph shown by B shows the temperature dependence when S and N are co-doped.

図13に示すように、エネルギー準位の深いSをドープしたチャネル領域に、Sよりもエネルギー準位の浅いNをコドープすることによって、室温付近における最高動作周波数を増加させることができる。これにより、広い温度範囲において、安定した高速動作が可能な回路を実現することができる。 As shown in FIG. 13, by codoping N, which has a shallower energy level than S, into a channel region doped with S, which has a deeper energy level, the maximum operating frequency near room temperature can be increased. This makes it possible to realize a circuit that can operate stably and at high speed over a wide temperature range.

なお、コドープするNの不純物密度は、室温において、イオン化したNにより供給されるキャリア密度が、イオン化したSにより供給されるキャリア密度よりも多くなるように設定されていればよい。 Note that the impurity density of codoping N may be set so that the carrier density supplied by ionized N is higher than the carrier density supplied by ionized S at room temperature.

図14は、チャネル領域に、n型不純物として、エネルギー準位の深いSと、エネルギー準位の浅いNとを、コドープしたときの論理閾値電圧Vthの温度依存性を計算により求めたグラフである。ここで、Aで示したグラフは、Sのみをドープしたときの温度依存性を示し、Bで示したグラフは、SとNとをコドープしたときの温度依存性を示す。 FIG. 14 is a graph obtained by calculating the temperature dependence of the logic threshold voltage V th when the channel region is co-doped with S with a deep energy level and N with a shallow energy level as n-type impurities. be. Here, the graph shown by A shows the temperature dependence when only S is doped, and the graph shown by B shows the temperature dependence when S and N are co-doped.

図14に示すように、エネルギー準位の深いSをドープしたチャネル領域に、Sよりもエネルギー準位の浅いNをコドープすることによって、広い温度範囲において、論理閾値電圧Vthの変動をさらに抑制することができる。 As shown in FIG. 14, by codoping N, which has a shallower energy level than S, into the channel region doped with S, which has a deep energy level, fluctuations in the logical threshold voltage V th are further suppressed over a wide temperature range. can do.

(SとNとをコドープしたときのキャリア密度の実測)
図15に示すように、n型の4H-SiC(0001)基板10の表面に形成したp型エピタキシャル層20に、S及びNをイオン注入し、p型エピタキシャル層20の表面に、SとNとのn型コドープ層30を形成した。ここで、p型エピタキシャル層20の不純物濃度は、5×1014cm-3とし、Sの注入ドーズ量は、3.51×1012cm-2とし、Nの注入ドーズ量は、3.52×1011cm-2とした。また、Sのイオン注入エネルギーは、10~350keVとし、Nのイオン注入エネルギーは、10~200keVとした。
(Actual measurement of carrier density when codoping S and N)
As shown in FIG. 15, S and N are ion-implanted into the p-type epitaxial layer 20 formed on the surface of the n-type 4H-SiC (0001) substrate 10. An n-type codoped layer 30 was formed. Here, the impurity concentration of the p-type epitaxial layer 20 is 5×10 14 cm −3 , the implantation dose of S is 3.51×10 12 cm −2 , and the implantation dose of N is 3.52 ×10 11 cm -2 . Further, the ion implantation energy of S was 10 to 350 keV, and the ion implantation energy of N was 10 to 200 keV.

図16は、n型コドープ層30におけるS及びNの不純物密度の深さ方向の分布を、二次イオン質量分析法(SIMS)を用いて測定した結果を示したグラフである。Aで示したグラフが、Sの不純物密度の深さ方向の分布を示し、Bで示したグラフが、Nの不純物密度の深さ方向の分布を示す。図16に示すように、n型コドープ層30におけるSの不純物密度は、1.0×1017cm-3で、Nの不純物密度は、1.0×1016cm-3であった。 FIG. 16 is a graph showing the results of measuring the distribution of S and N impurity densities in the depth direction in the n-type codoped layer 30 using secondary ion mass spectrometry (SIMS). The graph labeled A shows the distribution of S impurity density in the depth direction, and the graph labeled B shows the distribution of N impurity density in the depth direction. As shown in FIG. 16, the S impurity density in the n-type codoped layer 30 was 1.0×10 17 cm −3 and the N impurity density was 1.0×10 16 cm −3 .

図17は、図7(A)、(B)に示したホール効果測定用素子を作製して、n型コドープ層30におけるキャリア密度の温度依存性を測定した結果を示したグラフである。ここで、Aで示したグラフは、Sのみをドープしたときの温度依存性を示し、Bで示したグラフは、SとNとをコドープしたときの温度依存性を示す。図17に示すように、SとNとをコドープしたコドープ層30のキャリア密度が、室温付近において増加していることが実証された。 FIG. 17 is a graph showing the results of measuring the temperature dependence of the carrier density in the n-type co-doped layer 30 by manufacturing the Hall effect measuring element shown in FIGS. 7(A) and 7(B). Here, the graph shown by A shows the temperature dependence when only S is doped, and the graph shown by B shows the temperature dependence when S and N are co-doped. As shown in FIG. 17, it was demonstrated that the carrier density of the codoped layer 30 codoped with S and N increases near room temperature.

(キャリア密度の補償欠陥密度依存性)
SiC基板に、SiC相補型電界効果トランジスタを形成する場合、SiC基板における再結合の影響を避けるために、SiC基板上にp型エピタキシャル層を形成し、p型エピタキシャル層に、SiC相補型電界効果トランジスタを形成する場合がある。この場合、nチャネルJFETのチャネル領域は、p型エピタキシャル層にn型不純物をイオン注入することにより形成される。
(Compensated defect density dependence of carrier density)
When forming a SiC complementary field effect transistor on a SiC substrate, in order to avoid the effects of recombination on the SiC substrate, a p-type epitaxial layer is formed on the SiC substrate, and a SiC complementary field effect transistor is formed on the p-type epitaxial layer. A transistor may be formed. In this case, the channel region of the n-channel JFET is formed by ion-implanting n-type impurities into the p-type epitaxial layer.

この場合、チャネル領域に、p型エピタキシャル層にドープされたp型不純物が存在するため、このp型不純物が、チャネル領域のキャリア(電子)を捕獲する準位(補償欠陥)となるため、チャネル領域のキャリア密度(電子密度)が低下する。 In this case, since the p-type impurity doped in the p-type epitaxial layer exists in the channel region, this p-type impurity becomes a level (compensation defect) that captures carriers (electrons) in the channel region. The carrier density (electron density) in the region decreases.

図18は、チャネル領域にコドープするS及びNの不純物密度を、それぞれ、5.0×1016cm-3、3.0×1015cm-3として、チャネル領域に存在するp型不純物の不純物密度(補償欠陥密度)を、0~1×1016cm-3の範囲で変化させたときのキャリア密度の温度依存性を計算で求めたグラフである。ここで、A~Aで示したグラフは、補償欠陥密度が、0、1×1015cm-3、3×1015cm-3、5×1016cm-3、1×1016cm-3の場合を示す。 In FIG. 18, the impurity density of S and N codoped into the channel region is set to 5.0×10 16 cm −3 and 3.0×10 15 cm −3 , respectively, and the p-type impurity present in the channel region is This is a graph obtained by calculating the temperature dependence of carrier density when the density (compensated defect density) is changed in the range of 0 to 1×10 16 cm −3 . Here, the graphs indicated by A 0 to A 4 have compensated defect densities of 0, 1×10 15 cm −3 , 3×10 15 cm −3 , 5×10 16 cm −3 , and 1×10 16 cm -3 case is shown.

図18に示すように、補償欠陥密度が増えるほど、チャンル領域の室温付近におけるキャリア密度が減少する。従って、チャネル領域にコドープするNの不純物密度は、チャネル領域に存在する補償欠陥密度を考慮して決める必要がある。 As shown in FIG. 18, as the compensation defect density increases, the carrier density near room temperature in the channel region decreases. Therefore, the density of the N impurity codoped into the channel region must be determined in consideration of the compensation defect density existing in the channel region.

なお、上記では、p型エピタキシャル層にSiC相補型電界効果トランジスタを形成する場合を例示したが、n型エピタキシャル層または半絶縁性基板上にSiC相補型電界効果トランジスタを形成する場合でも、同様に、チャネル領域にコドープするNの不純物密度を、チャネル領域に存在する補償欠陥密度を考慮して決める必要がある。 Note that although the above example illustrates the case where a SiC complementary field effect transistor is formed on a p-type epitaxial layer, the same applies when forming a SiC complementary field-effect transistor on an n-type epitaxial layer or a semi-insulating substrate. It is necessary to determine the impurity density of N co-doped into the channel region, taking into consideration the compensation defect density present in the channel region.

以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、もちろん、種々の改変が可能である。 Although the present invention has been described above with reference to preferred embodiments, such description is not a limitation and, of course, various modifications are possible.

例えば、上記実施形態では、エネルギー準位の深いn型不純物(第1のn型不純物)として、S(硫黄)をドープしたチャネル領域に、Sよりもエネルギー準位の浅いn型不純物(第2のn型不純物)といて、N(窒素)をコドープする例を説明したが、これに限定されず、例えば、P(リン)、As(砒素)、Sb(アンチモン)などをコドープしてもよい。また、N、P、As、及びSbから選ばれる少なくとも1種以上のn型不純物をコドープしてもよい。 For example, in the above embodiment, an n-type impurity with a shallower energy level than S (second n-type impurity) is added to the channel region doped with S (sulfur) as an n-type impurity with a deep energy level (first n-type impurity). Although an example has been described in which N (nitrogen) is co-doped as an n-type impurity), the present invention is not limited to this, and for example, P (phosphorus), As (arsenic), Sb (antimony), etc. may be co-doped. . Further, at least one type of n-type impurity selected from N, P, As, and Sb may be codoped.

なお、本発明において、コドープするn型不純物は、制御された適切なドーズ量を意図的にドープしたもので、SiC基板等に不可避的に存在するn型不純物を含むものではない。 In the present invention, the co-doped n-type impurity is intentionally doped at a controlled and appropriate dose, and does not include n-type impurities that inevitably exist in SiC substrates and the like.

また、上記実施形態では、p型不純物として、Al(アルミニウム)を例示したが、同じように、エネルギー準位の深いB(ボロン)を用いても、本願発明における効果を奏することができる。 Further, in the above embodiment, Al (aluminum) is used as an example of the p-type impurity, but the effects of the present invention can be similarly achieved even if B (boron), which has a deep energy level, is used.

また、上記実施形態では、SiC相補型JFETをインバータ回路に適用した例を説明したが、他の論理ゲート、例えば、NAND回路やNOR回路にも適用することができる。また、上記論理ゲートが元となるデジタル回路のほかに、アナログ回路にも適用が可能である。 Further, in the above embodiment, an example in which the SiC complementary JFET is applied to an inverter circuit has been described, but the invention can also be applied to other logic gates, such as a NAND circuit or a NOR circuit. In addition to digital circuits based on the above logic gates, the present invention can also be applied to analog circuits.

また、上記実施形態では、SiC相補型電界効果トランジスタとして、SiC相補型JFETを例に説明したが、SiC相補型MOSFETにも適用することができる。 Further, in the above embodiment, the SiC complementary field effect transistor is described using a SiC complementary JFET as an example, but the present invention can also be applied to a SiC complementary MOSFET.

また、上記実施形態では、SiC相補型電界効果トランジスタを構成するトランジスタとして、図1に示した構造のSiC JFETを例に説明したが、勿論、他の構造のSiC JFETまたはSiC MOSFETに適用することができる。 Further, in the above embodiment, the SiC JFET having the structure shown in FIG. 1 is used as an example of the transistor constituting the SiC complementary field effect transistor, but it is of course applicable to SiC JFET or SiC MOSFET having other structures. I can do it.

1 JFET
1a nチャネルJFET
1b pチャネルJFET
10 SiC基板
11 ソース領域
12 ドレイン領域
13 埋込チャネル領域
14a、14b ゲート領域
1 JFET
1a n-channel JFET
1b p-channel JFET
10 SiC substrate
11 Source area
12 Drain region
13 Buried channel area
14a, 14b gate region

Claims (5)

SiC基板に、ノーマリオフ型のnチャネル電界効果トランジスタ、及びpチャネル電界効果トランジスタが形成されたSiC相補型電界効果トランジスタであって、
前記pチャネル電界効果トランジスタのチャネル領域にドープされたp型不純物がAl(アルミニウム)またはB(ボロン)であって、
前記nチャネル電界効果トランジスタのチャネル領域にドープされた第1のn型不純物がS(硫黄)であって、
前記第1のn型不純物に、S(硫黄)よりもエネルギー準位が浅い第2のn型不純物がコドープされている、SiC相補型電界効果トランジスタ。
A SiC complementary field effect transistor in which a normally-off type n-channel field effect transistor and a p-channel field effect transistor are formed on a SiC substrate,
The p-type impurity doped into the channel region of the p-channel field effect transistor is Al (aluminum) or B (boron),
The first n-type impurity doped into the channel region of the n-channel field effect transistor is S (sulfur),
A SiC complementary field effect transistor, wherein the first n-type impurity is codoped with a second n-type impurity having a shallower energy level than S (sulfur).
前記第2のn型不純物は、N(窒素)、P(リン)、As(砒素)、及びSb(アンチモン)から選ばれる少なくとも1種以上の不純物を含む、請求項1に記載のSiC相補型電界効果トランジスタ。 The SiC complementary type according to claim 1, wherein the second n-type impurity includes at least one impurity selected from N (nitrogen), P (phosphorus), As (arsenic), and Sb (antimony). Field effect transistor. 前記第2のn型不純物の不純物密度は、室温において、前記第2のn型不純物によるキャリア密度が、前記第1のn型不純物によるキャリア密度よりも多くなるように設定されている、請求項1または2に記載のSiC相補型電界効果トランジスタ。 The impurity density of the second n-type impurity is set such that the carrier density due to the second n-type impurity is higher than the carrier density due to the first n-type impurity at room temperature. 3. The SiC complementary field effect transistor according to 1 or 2. 前記第2のn型不純物の不純物密度は、前記第1のn型不純物の不純物密度より小さい、請求項3に記載のSiC相補型電界効果トランジスタ。 4. The SiC complementary field effect transistor according to claim 3, wherein the impurity density of the second n-type impurity is lower than the impurity density of the first n-type impurity. 前記nチャネル電界効果トランジスタ、及び前記pチャネル電界効果トランジスタは、それぞれ、nチャネル接合型電界効果トランジスタ、及びpチャネル接合型電界効果トランジスタで構成されている、請求項1に記載のSiC相補型電界効果トランジスタ。 The SiC complementary field effect transistor according to claim 1, wherein the n-channel field effect transistor and the p-channel field effect transistor are respectively configured of an n-channel junction field effect transistor and a p-channel junction field effect transistor. effect transistor.
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