JP6547465B2 - Semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device Download PDF

Info

Publication number
JP6547465B2
JP6547465B2 JP2015135290A JP2015135290A JP6547465B2 JP 6547465 B2 JP6547465 B2 JP 6547465B2 JP 2015135290 A JP2015135290 A JP 2015135290A JP 2015135290 A JP2015135290 A JP 2015135290A JP 6547465 B2 JP6547465 B2 JP 6547465B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
semiconductor device
present
substrate
quantum
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2015135290A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2017017279A (en
Inventor
佳明 鍋島
佳明 鍋島
佐々木 肇
肇 佐々木
宣卓 加茂
宣卓 加茂
拓行 岡崎
拓行 岡崎
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Electric Corp filed Critical Mitsubishi Electric Corp
Priority to JP2015135290A priority Critical patent/JP6547465B2/en
Publication of JP2017017279A publication Critical patent/JP2017017279A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6547465B2 publication Critical patent/JP6547465B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Junction Field-Effect Transistors (AREA)

Description

本発明は、半導体装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor device.

半導体装置として高電子移動度トランジスタが提案されている(例えば、特許文献1〜3参照)。このような半導体装置は宇宙用として宇宙機などに実装される場合がある。   High electron mobility transistors have been proposed as semiconductor devices (see, for example, Patent Documents 1 to 3). Such a semiconductor device may be mounted on a spacecraft or the like for space use.

特開平01−235325号公報Unexamined-Japanese-Patent No. 01-235325 gazette 特開2002−076328号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-076328 特開2012−023314号公報Unexamined-Japanese-Patent No. 2012-023314

宇宙用の半導体装置に宇宙空間を飛び交う重粒子が入射すると、急激に特性変動(Single Event Transient)が発生し、最悪バーンアウト(Single Event Burnout)により素子破壊が起きるという問題があった。これは、単一粒子の入射により発生した電子−正孔対のうち、移動度が低い正孔によりチャネルのポテンシャルが変調することと半導体装置内に電荷が捕獲されることが原因である。   When a heavy particle flying in the space is incident on a semiconductor device for space, a characteristic fluctuation (Single Event Transient) occurs rapidly, and there is a problem that element destruction occurs due to the worst event burnout (Single Event Burnout). This is because, among the electron-hole pairs generated by the incidence of a single particle, the hole of low mobility modulates the potential of the channel and the charge is trapped in the semiconductor device.

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は単一粒子が入射されても急激な特性変動やバーンアウトによる素子破壊を抑制することができる半導体装置を得るものである。   The present invention has been made to solve the problems as described above, and an object thereof is to obtain a semiconductor device capable of suppressing element breakdown due to rapid characteristic fluctuation and burnout even when single particles are incident. It is a thing.

本発明に係る半導体装置は、基板と、前記基板上に順に設けられた超格子層、チャネル層及びショットキー層と、前記ショットキー層上に設けられたゲート電極、ソース電極及びドレイン電極とを備え、前記超格子層は複数の量子井戸を有し、各量子井戸は複数のサブバンドを有し、前記超格子層の隣接する量子井戸の異なるサブバンドのエネルギーが互いに一致していることを特徴とする。

A semiconductor device according to the present invention comprises a substrate, a super lattice layer, a channel layer and a Schottky layer sequentially provided on the substrate, and a gate electrode, a source electrode and a drain electrode provided on the Schottky layer. The superlattice layer comprises a plurality of quantum wells, each quantum well having a plurality of sub-bands, wherein the energies of different sub-bands of adjacent quantum wells of the superlattice layer are matched to each other It features.

本発明では、基板とチャネル層の間に超格子層が設けられている。そして、超格子層の隣接する量子井戸のサブバンドのエネルギーが互いに一致している。これにより、超格子層に共鳴トンネル現象を発生させて、それらの量子井戸のサブバンドを通して正孔と電荷をチャネル層から基板へ抜けさせることができる。従って、正孔によるチャネルのポテンシャルの変調と半導体装置内の電荷の捕獲を抑制することができる。この結果、単一粒子が入射されても急激な特性変動やバーンアウトによる素子破壊を抑制することができる。   In the present invention, a superlattice layer is provided between the substrate and the channel layer. Then, the energies of the adjacent quantum wells of the superlattice layer coincide with each other. This can cause resonant tunneling in the superlattice layer and allow holes and charges to escape from the channel layer to the substrate through the sub-bands of those quantum wells. Therefore, modulation of the potential of the channel by holes and trapping of charge in the semiconductor device can be suppressed. As a result, even if a single particle is incident, it is possible to suppress the element breakdown due to the rapid characteristic fluctuation and burnout.

本発明の実施の形態1に係る半導体装置を示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to Embodiment 1 of the present invention. 比較例に係る半導体装置を示す断面図である。It is a sectional view showing a semiconductor device concerning a comparative example. 比較例に係る半導体装置のエネルギーバンドを示す図である。It is a figure which shows the energy band of the semiconductor device which concerns on a comparative example. 本発明の実施の形態1に係る半導体装置のエネルギーバンドを示す図である。It is a figure which shows the energy band of the semiconductor device concerning Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態2に係る半導体装置を示す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view showing a semiconductor device in accordance with a second embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態2に係る半導体装置の量子ドット層を示す平面図である。It is a top view which shows the quantum dot layer of the semiconductor device concerning Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。FIG. 14 is a cross-sectional view showing the method of manufacturing the semiconductor device of the second embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態2に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。FIG. 14 is a cross-sectional view showing the method of manufacturing the semiconductor device of the second embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態2に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。FIG. 14 is a cross-sectional view showing the method of manufacturing the semiconductor device of the second embodiment of the present invention.

本発明の実施の形態に係る半導体装置について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。   A semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The same or corresponding components may be assigned the same reference numerals and repetition of the description may be omitted.

実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係る半導体装置を示す断面図である。基板1上に超格子層2、チャネル層3及びショットキー層4が順に設けられている。ショットキー層4上にゲート電極5、ソース電極6及びドレイン電極7が設けられている。
Embodiment 1
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. A superlattice layer 2, a channel layer 3 and a Schottky layer 4 are provided in order on a substrate 1. A gate electrode 5, a source electrode 6 and a drain electrode 7 are provided on the Schottky layer 4.

基板1は例えばSiC又はGaAsである。超格子層2は例えばAlN、InN、SiC、BN、GaN又はAlである。チャネル層3は例えばGaN又はGaAsである。ショットキー層4は例えばAlGaN又はAlGaAsである。ゲート電極5、ソース電極6及びドレイン電極7は例えばAuである。 The substrate 1 is, for example, SiC or GaAs. The superlattice layer 2 is, for example, AlN, InN, SiC, BN, GaN or Al 2 O 3 . The channel layer 3 is, for example, GaN or GaAs. The Schottky layer 4 is, for example, AlGaN or AlGaAs. The gate electrode 5, the source electrode 6, and the drain electrode 7 are, for example, Au.

ゲート電極5に電圧を印加することによって、ゲート電極5直下の空乏層が拡大又は縮小する。これにより、ソース電極6からドレイン電極7へ流れる電子を制御している。電子はチャネル層3を移動する。   By applying a voltage to the gate electrode 5, the depletion layer immediately below the gate electrode 5 is expanded or contracted. Thus, electrons flowing from the source electrode 6 to the drain electrode 7 are controlled. The electrons travel through the channel layer 3.

続いて、本実施の形態の効果を比較例と比較して説明する。図2は、比較例に係る半導体装置を示す断面図である。図3は、比較例に係る半導体装置のエネルギーバンドを示す図である。比較例には超格子層2が存在しない。比較例に係る半導体装置に宇宙空間を飛び交う重粒子が入射すると、急激に特性変動が発生し、最悪バーンアウトにより素子破壊が起きるという問題がある。   Subsequently, the effect of the present embodiment will be described in comparison with a comparative example. FIG. 2 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to a comparative example. FIG. 3 is a diagram showing energy bands of the semiconductor device according to the comparative example. The superlattice layer 2 does not exist in the comparative example. When heavy particles flying in the space are incident on the semiconductor device according to the comparative example, characteristic variation occurs rapidly, and there is a problem that element destruction occurs due to the worst burnout.

一方、本実施の形態では基板1とチャネル層3の間に超格子層2が設けられている。図4は、本発明の実施の形態1に係る半導体装置のエネルギーバンドを示す図である。超格子層2は、複数の量子井戸2a,2bからなる井戸型ポテンシャルを有する。超格子層2の隣接する量子井戸2a,2bのサブバンドのエネルギーが互いに一致している。ここでは、量子井戸2aのサブバンドE1のエネルギーと量子井戸2bのサブバンドE2のエネルギーが互いに一致している。なお、ここで、エネルギーが一致するとは、互いのエネルギー差が±0.1eV以内になることを含む。   On the other hand, in the present embodiment, the superlattice layer 2 is provided between the substrate 1 and the channel layer 3. FIG. 4 is a diagram showing an energy band of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. The superlattice layer 2 has a well potential consisting of a plurality of quantum wells 2a and 2b. The energy of the sub-bands of the adjacent quantum wells 2a and 2b of the superlattice layer 2 coincide with each other. Here, the energy of the sub-band E1 of the quantum well 2a and the energy of the sub-band E2 of the quantum well 2b coincide with each other. Here, "consistent energy" includes that the energy difference between each other is within ± 0.1 eV.

これにより、超格子層2に共鳴トンネル現象を発生させて、量子井戸2aのサブバンドE1と量子井戸2bのサブバンドE2を通して正孔と電荷をチャネル層3から基板1へ抜けさせることができる。従って、正孔によるチャネルのポテンシャルの変調と半導体装置内の電荷の捕獲を抑制することができる。この結果、単一粒子が入射されても急激な特性変動やバーンアウトによる素子破壊を抑制することができる。   As a result, a resonant tunneling phenomenon is generated in the superlattice layer 2, and holes and charges can be released from the channel layer 3 to the substrate 1 through the sub-band E1 of the quantum well 2a and the sub-band E2 of the quantum well 2b. Therefore, modulation of the potential of the channel by holes and trapping of charge in the semiconductor device can be suppressed. As a result, even if a single particle is incident, it is possible to suppress the element breakdown due to the rapid characteristic fluctuation and burnout.

実施の形態2.
図5は、本発明の実施の形態2に係る半導体装置を示す断面図である。本実施の形態では、実施の形態1の超格子層2の代わりに量子ドット層8を形成している。
Second Embodiment
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. In the present embodiment, the quantum dot layer 8 is formed instead of the superlattice layer 2 of the first embodiment.

図6は、本発明の実施の形態2に係る半導体装置の量子ドット層を示す平面図である。チャネル層3の下に平面的に配置された量子ドット層8は平面的に等間隔に配置された複数の量子ドット8aからなる井戸型ポテンシャルを有する。複数の量子ドット8aは、摂氏300℃でも熱励起しない0.05eV以上の準位に形成されている。即ち、複数の量子ドット8aは、キャリアが熱的に移動できないような深い準位に形成されている。   FIG. 6 is a plan view showing a quantum dot layer of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. The quantum dot layer 8 planarly disposed under the channel layer 3 has a well potential consisting of a plurality of quantum dots 8 a planarly spaced at equal intervals. The plurality of quantum dots 8 a are formed at a level of 0.05 eV or more which is not thermally excited even at 300 ° C. That is, the plurality of quantum dots 8a are formed in deep levels such that carriers can not move thermally.

このような量子ドット層8の複数の量子ドット8aにより、発生した正孔を捕らえることができ、電子‐正孔対の再結合確率を上げることができる。従って、単一粒子で発生した正孔を減少させることができるため、正孔によるチャネルのポテンシャルの変調と半導体装置内の電荷の捕獲を抑制することができる。この結果、単一粒子が入射されても急激な特性変動やバーンアウトによる素子破壊を抑制することができる。   The plurality of quantum dots 8 a of the quantum dot layer 8 can capture generated holes and can increase the recombination probability of electron-hole pairs. Therefore, since holes generated in a single particle can be reduced, modulation of the potential of the channel by holes and trapping of charges in the semiconductor device can be suppressed. As a result, even if a single particle is incident, it is possible to suppress the element breakdown due to the rapid characteristic fluctuation and burnout.

また、複数の量子ドット8aはそれぞれ立方体である。従って、例えば逆正多角錘型の量子ドットに比べてキャリアが移動し難いため、上記の効果が更に顕著となる。   Also, the plurality of quantum dots 8a are cubic. Therefore, for example, since the carriers are less likely to move compared to the inverse regular polygonal pyramidal quantum dots, the above-mentioned effect becomes more remarkable.

図7から図9は、本発明の実施の形態2に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。まず、図7に示すように、エピタキシャル成長により基板1上に複数の核8bを形成する。次に、図8に示すように、次レイヤである埋め込み層8cを形成して複数の核8bの間を埋め込む。次に、図9に示すように、チャネル層3及びショットキー層4を順に形成する。このように核8bが成長した時点で次レイヤを成長させることで、複数の量子ドット8aをパターンニングで形成するよりも簡単に形成することができる。   7 to 9 are cross-sectional views showing a method of manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. First, as shown in FIG. 7, a plurality of nuclei 8 b are formed on the substrate 1 by epitaxial growth. Next, as shown in FIG. 8, the embedded layer 8c which is the next layer is formed to embed between the plurality of nuclei 8b. Next, as shown in FIG. 9, the channel layer 3 and the Schottky layer 4 are formed in order. By growing the next layer when the nuclei 8 b grow in this manner, it is possible to form the plurality of quantum dots 8 a more easily than by patterning.

1 基板、2 超格子層、2a,2b 量子井戸、3 チャネル層、4 ショットキー層、5 ゲート電極、6 ソース電極、7 ドレイン電極、8 量子ドット層、8a 量子ドット、8b 核、8c 埋め込み層 Reference Signs List 1 substrate, 2 super lattice layer, 2a, 2b quantum well, 3 channel layer, 4 Schottky layer, 5 gate electrode, 6 source electrode, 7 drain electrode, 8 quantum dot layer, 8a quantum dot, 8b nucleus, 8c buried layer

Claims (1)

基板と、
前記基板上に順に設けられた超格子層、チャネル層及びショットキー層と、
前記ショットキー層上に設けられたゲート電極、ソース電極及びドレイン電極とを備え、
前記超格子層は複数の量子井戸を有し、
各量子井戸は複数のサブバンドを有し、
前記超格子層の隣接する量子井戸の異なるサブバンドのエネルギーが互いに一致していることを特徴とする半導体装置。
A substrate,
A superlattice layer, a channel layer and a Schottky layer sequentially provided on the substrate;
A gate electrode, a source electrode and a drain electrode provided on the Schottky layer;
The superlattice layer comprises a plurality of quantum wells,
Each quantum well has multiple subbands,
A semiconductor device, wherein the energies of different sub-bands of adjacent quantum wells of the superlattice layer coincide with each other.
JP2015135290A 2015-07-06 2015-07-06 Semiconductor device Active JP6547465B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2015135290A JP6547465B2 (en) 2015-07-06 2015-07-06 Semiconductor device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2015135290A JP6547465B2 (en) 2015-07-06 2015-07-06 Semiconductor device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2017017279A JP2017017279A (en) 2017-01-19
JP6547465B2 true JP6547465B2 (en) 2019-07-24

Family

ID=57829291

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2015135290A Active JP6547465B2 (en) 2015-07-06 2015-07-06 Semiconductor device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6547465B2 (en)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020080621A1 (en) * 2018-10-18 2020-04-23 한양대학교 산학협력단 Film structure, element, and multilevel element
KR102250011B1 (en) 2018-10-18 2021-05-10 한양대학교 산학협력단 Layer Structure, Element and Multilevel Element

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH022198A (en) * 1988-06-14 1990-01-08 Nec Corp Manufacture of multidimensional quantum well structure
JPH034540A (en) * 1989-05-31 1991-01-10 Sharp Corp Modulation-doped heterojunction field-effect transistor and its manufacture
JP2003234358A (en) * 2002-02-12 2003-08-22 Matsushita Electric Ind Co Ltd Semiconductor device
JP4826703B2 (en) * 2004-09-29 2011-11-30 サンケン電気株式会社 Plate-like substrate for use in forming semiconductor elements

Also Published As

Publication number Publication date
JP2017017279A (en) 2017-01-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20210159337A1 (en) Three dimensional vertically structured electronic devices
US10403745B2 (en) Nitride semiconductor device including a horizontal switching device
JP5756249B2 (en) III-nitride field effect transistor (FET) that can withstand high temperature reverse bias test conditions
US20160240679A1 (en) Supperlattice buffer structure for gallium nitride transistors
US7985984B2 (en) III-nitride semiconductor field effect transistor
JP6189235B2 (en) Semiconductor device
JP2017073506A (en) Nitride semiconductor device and method for manufacturing the same
US11316041B2 (en) Semiconductor device
US10903371B2 (en) Three dimensional vertically structured MISFET/MESFET
US20210343525A1 (en) Semiconductor structure having a group iii-v semiconductor layer comprising a hexagonal mesh crystalline structure
JP6547465B2 (en) Semiconductor device
JP2010206125A (en) Gallium nitride-based high electron mobility transistor
US20150325680A1 (en) Semiconductor device and method for manufacturing the same
EP3127160B1 (en) Optimized buffer layer for high mobility field-effect transistor
US20130069074A1 (en) Power device and method of manufacturing the same
JP5721782B2 (en) Semiconductor device
US10217898B2 (en) Semiconductor device having an internal-field-guarded active region
JP3866703B2 (en) Semiconductor device
JP6641868B2 (en) Nitride semiconductor device
JP2011171422A (en) Field-effect transistor
JP2014506002A5 (en)
JP5580138B2 (en) Field effect transistor
Wieser et al. Quantum-ballistic transport in an etch-defined Si/SiGe quantum point contact
JP2010222174A (en) Nitride semiconductor structure
US20140291613A1 (en) Multiple quantum well structure

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20180205

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20181108

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20181120

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20190110

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20190528

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20190610

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6547465

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250