JP6547465B2 - Semiconductor device - Google Patents
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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,
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。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. A
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Al2O3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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Claims (1)
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.
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