JPH10294452A - Heterojunction field effect transistor - Google Patents

Heterojunction field effect transistor

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JPH10294452A
JPH10294452A JP10460997A JP10460997A JPH10294452A JP H10294452 A JPH10294452 A JP H10294452A JP 10460997 A JP10460997 A JP 10460997A JP 10460997 A JP10460997 A JP 10460997A JP H10294452 A JPH10294452 A JP H10294452A
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JP
Japan
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layer
undoped
type
electron
gan
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JP10460997A
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Japanese (ja)
Inventor
Toshiharu Imanaga
俊治 今永
Hiroharu Kawai
弘治 河合
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Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof  ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/12Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
    • H01L29/20Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds
    • H01L29/2003Nitride compounds

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  • Junction Field-Effect Transistors (AREA)
  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a heterojunction field effect transistor in which the intrinsic performance of an element using a GaN semiconductor is displayed by optimizing a structure, to realize high performance. SOLUTION: An Alx Ga1-x N (1>=x>=0) layer 1 acting as a base layer, an Aly Ga1-y N (1>=y>0) layer 2 acting as a barrier layer, an n-type Alz Ga1-z N (1>=z>=0) layer 3 acting as an electron supply layer, an undoped Ga1-u Inu N (1>=u>=0) layer 5 acting as an electron transit layer and an Alv Ga1-v N (1>=v>0) layer 8 acting as a gate insulation film are laminated in this order. A gate electrode 9 is provided on the Alv Ga1-v N layer 8, and further a source electrode 10 and a drain electrode 11 are provided on the undoped Ga1-u Inu N layer 5. In this way a GaN FET(field effect transistor) containing both of a MIS(metal insulator semiconductor) structure and a HEMT(high electron mobility transistor) structure is constituted.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、ヘテロ接合電界
効果トランジスタに関し、特に、GaN系半導体を用い
たヘテロ接合電界効果トランジスタに関する。
The present invention relates to a heterojunction field effect transistor, and more particularly to a heterojunction field effect transistor using a GaN-based semiconductor.

【0002】[0002]

【従来の技術】GaNの飽和電子速度は約2.0×10
7 cm/sとSi、GaAsおよびSiCより大きく、
破壊電界は約5×106 V/cmとダイヤモンドに次ぐ
大きさを有している。このような理由により、GaN系
半導体は、高周波、高温、大電力用半導体素子の材料と
して大きな可能性を有することが予想されてきた。そし
て、近年、GaN系電界効果トランジスタ(FET)の
試作例が、いわゆる高電子移動度トランジスタ(High E
lectron Mobility Transistor,HEMT)を含めていく
つか報告されている(例えば、Appl. Phys. Lett.62(1
5),1786(1993)、Appl. Phys. Lett.65(9),1121(1994)
、Appl. Phys. Lett.69(6),794(1996)およびAppl. Phy
s. Lett.68(20),2849(1996)) 。
2. Description of the Related Art The saturation electron velocity of GaN is about 2.0 × 10
7 cm / s larger than Si, GaAs and SiC,
The breakdown electric field is about 5 × 10 6 V / cm, which is the second largest after diamond. For these reasons, GaN-based semiconductors have been expected to have great potential as materials for high-frequency, high-temperature, high-power semiconductor devices. In recent years, a prototype example of a GaN-based field effect transistor (FET) has been described as a so-called high electron mobility transistor (High E
lectron Mobility Transistor, HEMT) (for example, Appl. Phys. Lett. 62 (1
5), 1786 (1993), Appl. Phys. Lett. 65 (9), 1121 (1994)
Phys. Lett. 69 (6), 794 (1996) and Appl. Phy.
s. Lett. 68 (20), 2849 (1996)).

【0003】図9は、従来のGaN系HEMTを示す
(Appl. Phys. Lett.68(20),2849(1996)) 。図9に示す
ように、このGaN系HEMTにおいては、サファイア
基板101上にAlNバッファ層102、アンドープG
aN層103、Al0.16Ga0.84N層104、電子走行
層(チャネル層)としてのアンドープGaN層105、
スペーサ層としてのAl0.16Ga0.84N層106、電子
供給層としてのn型Al0.16Ga0.84N層107、バリ
ア層としてのAl0.16Ga0.84N層108およびキャッ
プ層としてのn型Al0.06Ga0.94N層109が順次積
層されている。n型Al0.06Ga0.94N層109上に、
ゲート電極110、ソース電極111およびドレイン電
極112が設けられている。ここで、ゲート電極110
はn型Al0.06Ga0.94N層109とショットキー接触
し、ソース電極111およびドレイン電極112はn型
Al0.06Ga0.94N層109とオーミック接触してい
る。
FIG. 9 shows a conventional GaN-based HEMT (Appl. Phys. Lett. 68 (20), 2849 (1996)). As shown in FIG. 9, in this GaN-based HEMT, an AlN buffer layer 102 and an undoped G
aN layer 103, Al 0.16 Ga 0.84 N layer 104, undoped GaN layer 105 as an electron transit layer (channel layer),
Al 0.16 Ga 0.84 N layer 106 as a spacer layer, n-type Al 0.16 Ga 0.84 N layer 107 as an electron supply layer, Al 0.16 Ga 0.84 N layer 108 as a barrier layer, and n-type Al 0.06 Ga 0.94 N as a cap layer The layers 109 are sequentially stacked. On the n-type Al 0.06 Ga 0.94 N layer 109,
A gate electrode 110, a source electrode 111, and a drain electrode 112 are provided. Here, the gate electrode 110
Is in Schottky contact with the n-type Al 0.06 Ga 0.94 N layer 109, and the source electrode 111 and the drain electrode 112 are in ohmic contact with the n-type Al 0.06 Ga 0.94 N layer 109.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、本発明
者の知見によれば、上述の従来のGaN系HEMTは、
構造の最適化が不十分であり、GaN系半導体を用いた
素子本来の性能を十分に発揮することができなかった。
However, according to the inventor's knowledge, the above-mentioned conventional GaN-based HEMT has the following problems.
The optimization of the structure was insufficient, and the original performance of the device using the GaN-based semiconductor could not be sufficiently exhibited.

【0005】したがって、この発明の目的は、構造の最
適化により、GaN系半導体を用いた素子本来の性能を
発揮することができ、高性能化を図ることができるヘテ
ロ接合電界効果トランジスタを提供することにある。
Accordingly, an object of the present invention is to provide a heterojunction field-effect transistor that can exhibit the original performance of a device using a GaN-based semiconductor by optimizing the structure and can achieve high performance. It is in.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明者は、従来技術が
有する上述の課題を解決すべく、鋭意検討を行った。そ
の概要について説明すると次の通りである。
Means for Solving the Problems The present inventor has made intensive studies in order to solve the above-mentioned problems of the prior art. The outline is as follows.

【0007】本発明者は、GaN系FETにおいて構造
の最適化を図るべく種々検討を行った結果、図1に示す
ような、いわばMIS(Metal-Insulator-Semiconducto
r)構造およびHEMT構造を併有するGaN系FETを
案出した。ここで、図1はフラットバンド条件における
エネルギーバンド図、特に伝導帯を示す。
The present inventors have conducted various studies to optimize the structure of a GaN-based FET. As a result, as shown in FIG. 1, the MIS (Metal-Insulator-Semiconducto)
r) A GaN-based FET having both a structure and a HEMT structure was devised. Here, FIG. 1 shows an energy band diagram under a flat band condition, particularly a conduction band.

【0008】図1に示すように、このGaN系FETに
おいては、基層としてのAlx Ga1-x N層1(ただ
し、1≧x≧0)、バリア層としてのAly Ga1-y
層2(ただし、1≧y>0)、電子供給層としてのn型
Alz Ga1-z N層3(ただし、1≧z≧0)、スペー
サ層としてのアンドープAlz Ga1-z N層4(ただ
し、1≧z≧0)、電子走行層としてのアンドープGa
1-u Inu N層5(ただし、1≧u≧0)、スペーサ層
としてのアンドープAlz Ga1-z N層6(ただし、1
≧z≧0)、電子供給層としてのn型Alz Ga1-z
層7(ただし、1≧z≧0)およびゲート絶縁膜として
のAlv Ga1-v N層8(ただし、1≧v>0)が順次
積層されている。ここで、電子供給層としてのn型Al
z Ga1-z N層3、7から、電子走行層としてのアンド
ープGa1-u Inu N層5に電子が供給され、2次元電
子ガス(2DEG)が形成される。これらの層の伝導帯
には、そのヘテロ接合界面に、図1に示すような不連続
が存在する。
As shown in FIG. 1, in this GaN-based FET, an Al x Ga 1 -xN layer 1 (where 1 ≧ x ≧ 0) as a base layer and an Al y Ga 1-y N layer as a barrier layer
Layer 2 (where 1 ≧ y> 0), n-type Al z Ga 1 -zN layer 3 as an electron supply layer (where 1 ≧ z ≧ 0), undoped Al z Ga 1 -zN as a spacer layer Layer 4 (1 ≧ z ≧ 0), undoped Ga as electron transit layer
1-u InuN layer 5 (where 1 ≧ u ≧ 0), undoped Al z Ga 1-z N layer 6 (where 1
≧ z ≧ 0), n-type Al z Ga 1 -zN as electron supply layer
A layer 7 (1 ≧ z ≧ 0) and an Al v Ga 1-v N layer 8 (1 ≧ v> 0) as a gate insulating film are sequentially stacked. Here, n-type Al as an electron supply layer
From z Ga 1-z N layer 3 and 7, electrons are supplied to the undoped Ga 1-u In u N layer 5 as an electron transit layer, two-dimensional electron gas (2DEG) is formed. The conduction bands of these layers have discontinuities at the heterojunction interface as shown in FIG.

【0009】本発明者は、図1に示すような構造を有す
るGaN系FETにおいて、一次元縦構造の電荷制御の
シミュレーションをポアッソン方程式とシュレディンガ
ー方程式とを自己無撞着に解くことにより行い、G
m (相互コンダクタンス)−Vgs(ゲート電圧)特性お
よびfT (遮断周波数)−Vgs特性を求めた。ただし、
温度Tは300K、ショットキーバリア高さVScttky
1.1eV、飽和電子速度vs は2.0×107 cm/
sとした。各層の組成は、Alx Ga1-x N層1のx=
0、Aly Ga1-y N層2のy=0.4、n型Alz
1-z N層3、アンドープAlz Ga1-z N層4、アン
ドープAlz Ga1-z N層6およびn型Alz Ga1-z
N層7のz=0.15、アンドープGa1-u Inu N層
5のu=0.28、Alv Ga1-v N層8のv=1とし
た。このとき、これらの層のヘテロ接合界面に存在する
エネルギー不連続はΔEc1=0.639eV、ΔEc2
0.413eV、ΔEc3=0.625eV、ΔEc4
1.554eVである。各層の厚さは、Alx Ga1-x
N層1は50nm、Aly Ga1-y N層2は30nm、
n型Alz Ga1-z N層3は2nm、アンドープAlz
Ga1-z N層4は1nm、アンドープGa1-u Inu
層5は5nm、アンドープAlz Ga1-z N層6は1n
m、n型Alz Ga1-z N層7は2nm、Alv Ga
1-v N層8は3nmである。また、n型Alz Ga1-z
N層7のドーピング濃度dp1=1.0×1019
-3、n型Alz Ga1-z N層3のドーピング濃度dp
2=5.0×1016cm-3とした。Lg (ゲート長)=
0.25μmの場合についてGm −Vgs特性およびfT
−Vgs特性を求めた結果をそれぞれ図2および図3にお
ける点線で示す。また、そのときの伝導帯の様子を図4
に示す。このとき、Alv Ga1-v N層8上に設けられ
るゲート電極(図示せず)の直下におけるアンドープG
1-uInu N層5内の電子の面密度Cs は5.0×1
12cm-2である。
The inventor of the present invention performed a simulation of charge control of a one-dimensional vertical structure in a GaN-based FET having a structure as shown in FIG.
m (mutual conductance) -V gs (gate voltage) characteristics and f T (cut-off frequency) -V gs characteristics were determined. However,
Temperature T is 300K, the Schottky barrier height V Scttky is 1.1 eV, saturation electron velocity v s is 2.0 × 10 7 cm /
s. The composition of each layer is represented by the following formula: x = Al x Ga 1 -xN layer 1
0, y = 0.4 of Al y Ga 1-y N layer 2, n-type Al z G
a 1 -z N layer 3, undoped Al z Ga 1 -z N layer 4, undoped Al z Ga 1 -z N layer 6 and n-type Al z Ga 1 -z
Z = 0.15 in the N layer 7, u = 0.28 of undoped Ga 1-u In u N layer 5 was set to v = 1 of Al v Ga 1-v N layer 8. At this time, the energy discontinuity existing at the heterojunction interface of these layers is ΔE c1 = 0.639 eV, ΔE c2 =
0.413 eV, ΔE c3 = 0.625 eV, ΔE c4 =
1.554 eV. The thickness of each layer is Al x Ga 1-x
The N layer 1 is 50 nm, the Al y Ga 1-y N layer 2 is 30 nm,
The n-type Al z Ga 1 -z N layer 3 has a thickness of 2 nm and an undoped Al z
Ga 1-z N layer 4 is 1 nm, an undoped Ga 1-u In u N
The layer 5 is 5 nm, and the undoped Al z Ga 1 -z N layer 6 is 1 n
The m, n-type Al z Ga 1 -z N layer 7 is 2 nm, and the Al v Ga
The 1-v N layer 8 is 3 nm. Also, n-type Al z Ga 1-z
Doping concentration dp1 of N layer 7 = 1.0 × 10 19 c
m −3 , doping concentration dp of n-type Al z Ga 1 -zN layer 3
2 = 5.0 × 10 16 cm −3 . Lg (gate length) =
G m -V gs characteristics and f T for the case of 0.25 μm
The results of determining the -V gs characteristic are shown by dotted lines in FIGS. 2 and 3, respectively. Fig. 4 shows the conduction band at that time.
Shown in At this time, the undoped G directly under the gate electrode (not shown) provided on the Al v Ga 1-v N layer 8 is used.
a 1-u In u electronic surface of the N layer 5 density C s is 5.0 × 1
0 12 cm -2 .

【0010】図2および図3において点線で示す曲線か
らわかるように、Vgs≧−0.3VでGm およびfT
もに急激に低下する。検討の結果、この原因は、図4に
おいても見られるように、Vgsが大きくなると、Alv
Ga1-v N層8側(表面側)の電子供給層、すなわちn
型Alz Ga1-z N層7の伝導帯が低下することによ
り、このn型Alz Ga1-z N層7に対する電荷の出し
入れが増加し、電子走行層であるアンドープGa1-u
u N層5の電荷の変化が少なくなるためであることが
わかった。
As can be seen from the curves shown by the dotted lines in FIGS. 2 and 3, when V gs ≧ −0.3 V, both G m and f T sharply decrease. As a result of the examination, as shown in FIG. 4, the cause is that when V gs increases, Al v
The electron supply layer on the Ga 1-v N layer 8 side (front side), ie, n
As the conduction band of the type Al z Ga 1 -zN layer 7 decreases, the charge transfer to and from the n-type Al z Ga 1 -z N layer 7 increases, and the undoped Ga 1 -u I
It was found that the change in the electric charge of the n u N layer 5 was small.

【0011】そこで、本発明者は、この点を改良し、よ
り一層の構造の最適化を図るべく検討を進めた結果、こ
の発明を案出するに至ったものである。
The inventor of the present invention has improved the above-mentioned point and has studied to further optimize the structure. As a result, the present inventors have devised the present invention.

【0012】すなわち、上記目的を達成するために、こ
の発明によるヘテロ接合電界効果トランジスタは、Al
x Ga1-x N(ただし、1≧x≧0)からなる基層と、
基層上のAly Ga1-y N(ただし、1≧y>0)から
なるバリア層と、バリア層上のAlz Ga1-z N(ただ
し、1≧z≧0)からなる電子供給層と、電子供給層上
のGa1-u Inu N(ただし、1≧u≧0)からなる電
子走行層と、電子走行層上のAlv Ga1-v N(ただ
し、1≧v>0)からなるゲート絶縁膜とを有すること
を特徴とするものである。
That is, in order to achieve the above object, a heterojunction field effect transistor according to the present invention comprises
a base layer composed of x Ga 1-x N (where 1 ≧ x ≧ 0);
A barrier layer made of Al y Ga 1-y N (where 1 ≧ y> 0) on the base layer, and an electron supply layer made of Al z Ga 1-z N (where 1 ≧ z ≧ 0) on the barrier layer And an electron transit layer made of Ga 1-u In u N (1 ≧ u ≧ 0) on the electron supply layer, and Al v Ga 1-v N (1 ≧ v> 0) on the electron transit layer ), And a gate insulating film comprising:

【0013】この発明において、電子供給層の不純物濃
度と厚さとの積(以下「不純物濃度×厚さ積」という)
は、一般的には、5×1018[cm-3][nm]以上1
×1021[cm-3][nm]以下であり、好適には、5
×1019[cm-3][nm]以上5×1020[cm-3
[nm]以下である。また、電子走行層の厚さは、一般
的には、1nm以上15nm以下であり、好適には、2
nm以上10nm以下である。
In the present invention, the product of the impurity concentration and the thickness of the electron supply layer (hereinafter referred to as “impurity concentration × thickness product”)
Is generally not less than 5 × 10 18 [cm −3 ] [nm] and 1
× 10 21 [cm −3 ] [nm] or less, preferably 5
× 10 19 [cm -3 ] [nm] or more and 5 × 10 20 [cm -3 ]
[Nm] or less. The thickness of the electron transit layer is generally 1 nm or more and 15 nm or less, and preferably 2 nm or less.
nm or more and 10 nm or less.

【0014】上述のように構成されたこの発明によれ
ば、構造の最適化により、すなわち、ゲート絶縁膜と電
子走行層との間には電子供給層が設けられておらず、電
子走行層とバリア層との間にだけ電子供給層が設けられ
ていることにより、ゲート電圧が大きくなったときに、
電子走行層の電荷の変化が少なくなるのを防止すること
ができ、Gm 、fT が急激に低下するのを防止すること
ができる。
According to the present invention configured as described above, by optimizing the structure, that is, the electron supply layer is not provided between the gate insulating film and the electron transit layer, By providing the electron supply layer only between the barrier layer, when the gate voltage is increased,
It is possible to prevent the change in the charge of the electron transit layer is reduced, it is possible to G m, is f T to prevent the drops sharply.

【0015】[0015]

【発明の実施の形態】以下、この発明の一実施形態につ
いて図面を参照しながら説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS One embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0016】この発明の一実施形態においては、図1に
示すGaN系FETにおいて、ゲート絶縁膜としてのA
v Ga1-v N層8の直ぐ下の電子供給層、すなわちn
型Alz Ga1-z N層7を、スペーサ層としてのアンド
ープAlz Ga1-z N層6とともに除く。このようにす
ると、Alv Ga1-v N層8上に設けられるゲート電極
(図示せず)と電子走行層、すなわちアンドープGa
1-u Inu N層5との距離が近くなるので、ゲート電極
によるこのアンドープGa1-u Inu N層5の電子の制
御を効率的に行うことができ、Gm を大きくすることが
できる。このときのGaN系FETを図5に示す。
In one embodiment of the present invention, the GaN-based FET shown in FIG.
The electron supply layer immediately below the l v Ga 1-v N layer 8, ie, n
The type Al z Ga 1 -zN layer 7 is removed together with the undoped Al z Ga 1 -zN layer 6 as a spacer layer. Thus, the gate electrode (not shown) provided on the Al v Ga 1-v N layer 8 and the electron transit layer, that is, the undoped Ga
The distance between 1-u In u N layer 5 is close, it is possible to perform electronic control of the undoped Ga 1-u In u N layer 5 by the gate electrode efficiently, it possible to increase the G m it can. FIG. 5 shows the GaN-based FET at this time.

【0017】すなわち、図5に示すように、この一実施
形態によるGaN系FETにおいては、基層としてのA
x Ga1-x N層1(ただし、1≧x≧0)、バリア層
としてのAly Ga1-y N層2(ただし、1≧y>
0)、電子供給層としてのn型Alz Ga1-z N層3
(ただし、1≧z≧0)、スペーサ層としてのアンドー
プAlz Ga1-z N層4(ただし、1≧z≧0)、電子
走行層としてのアンドープGa1-u Inu N層5(ただ
し、1≧u≧0)およびゲート絶縁膜としてのAlv
1-v N層8(ただし、1≧v>0)が順次積層されて
いる。
That is, as shown in FIG. 5, in the GaN-based FET according to this embodiment, A
l x Ga 1-x N layer 1 (where 1 ≧ x ≧ 0), and Al y Ga 1-y N layer 2 as a barrier layer (where 1 ≧ y>
0), n-type Al z Ga 1 -z N layer 3 as electron supply layer
(Where 1 ≧ z ≧ 0), undoped Al z Ga 1 -zN layer 4 as a spacer layer (where 1 ≧ z ≧ 0), and undoped Ga 1-u InuN layer 5 as an electron transit layer ( (1 ≧ u ≧ 0) and Al v G as a gate insulating film
a 1-v N layers 8 (where 1 ≧ v> 0) are sequentially stacked.

【0018】図6にこのGaN系FETの具体的な構造
例を示す。図6において、Alv Ga1-v N層8上にゲ
ート電極9が設けられているとともに、アンドープGa
1-uInu N層5上にソース電極10およびドレイン電
極11が設けられている。Alx Ga1-x N層1、Al
y Ga1-y N層2、n型Alz Ga1-z N層3、アンド
ープAlz Ga1-z N層4、アンドープGa1-u Inu
N層5およびAlv Ga1-v N層8は、通常、図示省略
したサファイア基板などの基板上に、必要に応じてGa
NやAlNなどからなるバッファ層を介して積層され
る。
FIG. 6 shows a specific example of the structure of the GaN-based FET. In FIG. 6, a gate electrode 9 is provided on an Al v Ga 1-v N layer 8 and an undoped Ga
A source electrode 10 and a drain electrode 11 are provided on the 1-u InuN layer 5. Al x Ga 1-x N layer 1, Al
y Ga 1-y N layer 2, n-type Al z Ga 1-z N layer 3, undoped Al z Ga 1-z N layer 4, undoped Ga 1-u In u
The N layer 5 and the Al v Ga 1-v N layer 8 are usually formed on a substrate such as a sapphire substrate (not shown) by Ga
They are stacked via a buffer layer made of N or AlN.

【0019】さて、図5に示すように、Alv Ga1-v
N層8側の電子供給層、すなわちn型Alz Ga1-z
層7を除き、その代わりに奥の電子供給層、すなわちn
型Alz Ga1-z N層3(ただし、ドーピング濃度dp
2は1.0×1019cm-3とする)を2nmから4nm
に厚くし、他の条件は同じにして(ただし、電子走行層
としてのアンドープGa1-u Inu N層5の厚さは5n
mとする)、上述と同様なシミュレーションを行い、G
m −Vgs特性およびfT −Vgs特性を求めた。ゲート電
極9の直下におけるアンドープGa1-u Inu N層5内
の電子の面密度Cs は2.0×1013cm-2である。ア
ンドープGa1-u Inu N層5とAlvGa1-v N層8
との間のヘテロ接合界面に存在するエネルギー不連続は
ΔEc5=2.18eVである。このときに得られたGm
−Vgs特性およびfT −Vgs特性をそれぞれ図2および
図3における実線で示す。また、そのときの伝導帯の様
子を図7に示す。
Now, as shown in FIG. 5, Al v Ga 1-v
The electron supply layer on the N layer 8 side, that is, n-type Al z Ga 1 -z N
Except for layer 7, instead the electron supply layer at the back, ie n
Type Al z Ga 1 -zN layer 3 (however, doping concentration dp
2 is 1.0 × 10 19 cm −3 ) from 2 nm to 4 nm.
And thick, and the other conditions are the same (however, the thickness of the undoped Ga 1-u In u N layer 5 as the electron transit layer 5n
m), a simulation similar to the above is performed, and G
It was determined m -V gs characteristics and f T -V gs characteristics. The areal density C s of electrons in the undoped Ga 1-u InuN layer 5 immediately below the gate electrode 9 is 2.0 × 10 13 cm −2 . An undoped Ga 1-u In u N layer 5 and the Al v Ga 1-v N layer 8
The energy discontinuity existing at the heterojunction interface between and is ΔE c5 = 2.18 eV. G m obtained at this time
Shown -V gs characteristics and f T -V gs characteristics by a solid line in FIGS. 2 and 3, respectively. FIG. 7 shows the state of the conduction band at that time.

【0020】図2および図3において、図1に示すGa
N系FETの特性(点線で示す)と比べるとわかるよう
に、Gm は全体に大きくなっており、Vgs≧−0.3V
におけるfT の低下も極めて少なくなっている。
2 and 3, Ga shown in FIG.
As can be seen in comparison with the characteristics of N type FET (shown by a dotted line), G m is larger throughout, V gs ≧ -0.3V
It has become extremely less deterioration of f T in.

【0021】次に、電子走行層としてのアンドープGa
1-u Inu N層5の厚さWの条件について検討する。
Next, undoped Ga as an electron transit layer
The condition of the thickness W of the 1-u InuN layer 5 will be discussed.

【0022】このアンドープGa1-u Inu N層5の厚
さWを小さくし過ぎると、ゲート電圧Vgsを増加させ、
このアンドープGa1-u Inu N層5の電子濃度を増加
させたとき、フェルミレベル(Ef )の増加が激しくな
り、このアンドープGa1-uInu N層5内の電子数に
対して、電子供給層としてのn型Alz Ga1-z N層3
の電子数が相対的に増え、Gm 、fT は低下する。ま
た、このn型Alz Ga1-z N層3がよりゲート電極9
に近づくため、このn型Alz Ga1-z N層3が相対的
にゲート電極9の影響を受けやすくなり、Gm の大きな
gsの領域も狭くなる。この例を図2および図3に示
す。さらに、ソース電極10およびドレイン電極11の
オーミックコンタクトをとる場合の容易さや広がり抵抗
の増加を考慮すると、Wは2nm以上であることが望ま
しい。逆に、Wを大きくし過ぎると、図2に示すよう
に、ゲート電圧Vgsの低い領域におけるGm の低下が著
しくなる。
[0022] The thickness W of the undoped Ga 1-u In u N layer 5 is too small, increasing the gate voltage V gs,
When the undoped Ga 1-u In u N layer increases the electron density of 5, increase in the Fermi level (E f) is vigorously against the undoped Ga 1-u In u N layer number of electrons 5 N - type Al z Ga 1 -z N layer 3 as electron supply layer
Relatively increases, and G m and f T decrease. Further, the n-type Al z Ga 1 -zN layer 3 is
To approach, the n-type Al z Ga 1-z N layer 3 is more susceptible to relatively gate electrode 9, also narrowed region of Do V gs magnitude of G m. This example is shown in FIG. 2 and FIG. Further, considering the easiness of making ohmic contact between the source electrode 10 and the drain electrode 11 and the increase in spreading resistance, W is desirably 2 nm or more. Conversely, if too large W, as shown in FIG. 2, reduction of G m in low gate voltage V gs region becomes significant.

【0023】さらに、図6からわかるように、電子走行
層としてのアンドープGa1-u Inu N層5の下に電子
供給層としてのn型Alz Ga1-z N層3があるので、
ゲート電極9とソース電極10との間およびゲート電極
9とドレイン電極11との間では、電子はアンドープG
1-u Inu N層5の奥側(n型Alz Ga1-z N層3
側)に存在する。この場合、ゲート電極9にゲート電圧
gsを加えてアンドープGa1-u Inu N層5の電子数
を増やすと、電子の存在する領域はゲート電極9側に移
るので、図6に示すような状態が生じる(図6中、アン
ドープGa1-uInu N層5中の電子の存在する領域に
点描を付す)。W=10nmである場合に計算した、ア
ンドープGa1-u Inu N層5とAlv Ga1-v N層8
とのヘテロ界面から測った2次元電子の平均位置(2D
EGの中心)を図8に示す。ただし、図8中、zavは全
2次元電子の平均位置(2次元電子はアンドープGa
1-uInu N層5とn型Alz Ga1-z N層3との双方
にわたって存在しており、その双方を考慮した場合の2
次元電子の平均位置)、zchavはアンドープGa1-u
u N層5中に存在する電子のみを考慮して求めた2次
元電子の平均位置である。この例の場合、図6における
A、Bの領域の電子の平均位置は、アンドープAlz
1-z N層3とアンドープGa1-u Inu N層5との界
面からほぼ距離d1=4nmの所にある。また、ゲート
電極9にゲート電圧Vgsを印加した場合、電子の平均位
置は、Alv Ga1-v N層8とアンドープGa1-u In
u N層5との界面からほぼ深さd2=3nmの所まで変
化することがわかる。したがって、ゲート電極9の直下
の電子と領域A、Bとが重なる必要があることを考慮す
ると(重なりが十分でないと寄生抵抗が高くなる)、W
は10nm以下であることが望ましいことがわかる。
Furthermore, as can be seen from FIG. 6, since the undoped Ga 1-u In u n-type as the electron supply layer under the N layer 5 Al z Ga 1-z N layer 3 as an electron transit layer is,
Between the gate electrode 9 and the source electrode 10 and between the gate electrode 9 and the drain electrode 11, electrons are undoped.
a 1-u In u inner side of the N layer 5 (n-type Al z Ga 1-z N layer 3
Side). In this case, when the number of electrons in the undoped Ga 1-u InuN layer 5 is increased by applying the gate voltage V gs to the gate electrode 9, the region where electrons are present moves to the gate electrode 9 side, as shown in FIG. (In FIG. 6, a region where electrons exist in the undoped Ga 1-u InuN layer 5 is stippled). Was calculated when W = a 10 nm, an undoped Ga 1-u In u N layer 5 and the Al v Ga 1-v N layer 8
Average position of two-dimensional electron (2D
The center of the EG) is shown in FIG. In FIG. 8, z av is the average position of all two-dimensional electrons (two-dimensional electrons are undoped Ga
1-u In u N layer 5 and is present throughout both the n-type Al z Ga 1-z N layer 3, 2 when considering its both
Average position of two-dimensional electrons), z chav is undoped Ga 1-u I
This is the average position of the two-dimensional electrons obtained by considering only the electrons existing in the n u N layer 5. In this example, the average position of the electron in the region of A, B in FIG. 6, an undoped Al z G
is approximately the distance d1 = 4 nm of at the interface between a 1-z N layer 3 and the undoped Ga 1-u In u N layer 5. When a gate voltage V gs is applied to the gate electrode 9, the average position of the electrons is determined by the Al v Ga 1 -vN layer 8 and the undoped Ga 1 -u In
It can be seen that the depth changes from the interface with the uN layer 5 to a depth of d2 = 3 nm. Therefore, considering that the electrons immediately below the gate electrode 9 and the regions A and B need to overlap (the parasitic resistance increases if the overlap is not sufficient), W
It is understood that it is desirable that the thickness be 10 nm or less.

【0024】次に、電子供給層としてのn型Alz Ga
1-z N層3が満たすべき条件について検討する。
Next, an n-type Al z Ga as an electron supply layer
The conditions that the 1-z N layer 3 should satisfy will be discussed.

【0025】図6におけるゲート電極9とソース電極1
0との間やゲート電極9とドレイン電極11との間、す
なわち領域A、Bに生ずる寄生抵抗を減らすためには、
電子供給層としてのn型Alz Ga1-z N層3は電子走
行層としてのアンドープGa1-u Inu N層5に十分な
電子を供給することができなくてはならない。しかしな
がら、n型Alz Ga1-z N層3に多くドーピングし過
ぎると、その伝導帯の底(Ec )が低下し、フェルミレ
ベルEF が伝導帯に接近したり、重なったりするように
なる。そうなると、Gm 、fT ともに低下するので、n
型Alz Ga1-z N層3の不純物濃度には上限が存在す
る。
The gate electrode 9 and the source electrode 1 in FIG.
0, or between the gate electrode 9 and the drain electrode 11, that is, in order to reduce the parasitic resistance generated in the regions A and B,
N-type Al z Ga 1-z N layer 3 as an electron supply layer must be able to supply sufficient electrons to the undoped Ga 1-u In u N layer 5 as an electron transit layer. However, if too much doped n-type Al z Ga 1-z N layer 3, reduces the bottom of the conduction band (E c), the Fermi level E F is or close to the conduction band, so as to overlap or Become. Then, since both G m and f T decrease, n
There is an upper limit on the impurity concentration of the type Al z Ga 1 -zN layer 3.

【0026】具体的には、ゲート電極9とソース電極1
0との間およびゲート電極9とドレイン電極11との間
に生ずる寄生抵抗を500Ω(ただし、W=50μm、
sg=0.5μm)以下にするためには、n型Alz
1-z N層3の不純物濃度×厚さ積を5×1018[cm
-3][nm]以上にする必要がある。一方、n型Alz
Ga1-z N層3の電位低下を0.9V(ただし、n型A
z Ga1-z N層3の厚さWを1nmとする)以下にす
るためには、このn型Alz Ga1-z N層3の不純物濃
度×厚さ積を1×1021[cm-3][nm]以下にする
必要がある。
Specifically, the gate electrode 9 and the source electrode 1
0 and the parasitic resistance generated between the gate electrode 9 and the drain electrode 11 is 500Ω (W = 50 μm,
(L sg = 0.5 μm) or less, the n-type Al z G
The product of the impurity concentration × thickness of the a 1 -z N layer 3 is 5 × 10 18 [cm
-3 ] [nm] or more. On the other hand, n-type Al z
The potential drop of the Ga 1 -zN layer 3 is reduced by 0.9 V (however, n-type A
In order to make the thickness W of the l z Ga 1 -z N layer 3 1 nm or less), the product of the impurity concentration × thickness of the n-type Al z Ga 1 -z N layer 3 is 1 × 10 21 [ cm −3 ] [nm] or less.

【0027】また、ゲート電極9とソース電極10との
間およびゲート電極9とドレイン電極11との間に生ず
る寄生抵抗を50Ω(ただし、W=50μm、Lsg
0.5μm)以下にするためには、n型Alz Ga1-z
N層3の不純物濃度×厚さ積を5×1019[cm-3
[nm]以上にする必要がある。一方、n型Alz Ga
1-z N層3の電位低下を0.5V(ただし、n型Alz
Ga1-z N層3の厚さWを1nmとする)以下にするた
めには、このn型Alz Ga1-z N層3の不純物濃度×
厚さ積を5×1020[cm-3][nm]以下にする必要
がある。
The parasitic resistance generated between the gate electrode 9 and the source electrode 10 and between the gate electrode 9 and the drain electrode 11 is 50Ω (W = 50 μm, L sg =
0.5 μm) or less, the n-type Al z Ga 1-z
The product of the impurity concentration × the thickness of the N layer 3 is 5 × 10 19 [cm −3 ]
[Nm] or more. On the other hand, n-type Al z Ga
0.5-V potential drop of the 1-z N layer 3 (however, n-type Al z
In order to reduce the thickness W of the Ga 1 -zN layer 3 to 1 nm or less, the impurity concentration of the n-type Al z Ga 1 -zN layer 3
The thickness product needs to be 5 × 10 20 [cm −3 ] [nm] or less.

【0028】以上のように、この一実施形態によれば、
構造の最適化により、すなわち、電子走行層としてのア
ンドープGa1-u Inu N層5とバリア層としてのAl
y Ga1-y N層2との間にだけ電子供給層としてのn型
Alz Ga1-z N層3が設けられており、ゲート絶縁膜
としてのAlv Ga1-v N層8と電子走行層としてのア
ンドープGa1-u Inu N層5との間には電子供給層が
設けられていないことにより、Alv Ga1-v N層8と
アンドープGa1-u Inu N層5との間にも電子供給層
が設けられている場合のように、ゲート電圧Vgsが大き
くなったときにその電子供給層に対する電荷の出し入れ
が増加し、アンドープGa1-u Inu N層5の電荷の変
化が少なくなるのを防止することができ、これによるG
m およびfT の劣化を防止することができる。また、こ
のゲート電極9側の電子供給層が設けられていないこと
により、ゲート電極9とアンドープGa1-u Inu N層
5との間の距離が近くなるので、全体的に高いGm を得
ることができる。そして、アンドープGa1-u Inu
層5の厚さWを1nm以上15nm以下、好適には2n
m以上10nm以下にすることにより、ゲート電圧Vgs
が低い場合におけるGm の低下を大幅に少なくすること
ができ、しかも寄生抵抗(チャネル抵抗)を低く保つこ
とができる。また、電子供給層としてのn型Alz Ga
1-z N層3の不純物濃度×厚さ積を5×1018[c
-3][nm]以上1×1021[cm-3][nm]以
下、好適には、5×1019[cm-3][nm]以上5×
1020[cm-3][nm]以下とすることにより、Gm
およびfT を高くすることができる。以上により、高G
m 、高fT の高周波高出力の高性能GaN系FETを実
現することができる。
As described above, according to this embodiment,
Optimized structures, i.e., Al as an undoped Ga 1-u In u N layer 5 and the barrier layer as the electron transit layer
y by n-type Al z Ga 1-z N layer 3 is provided as an electron supply layer between the Ga 1-y N layer 2, and Al v Ga 1-v N layer 8 serving as a gate insulating film electronic by supplying layer is not provided, Al v Ga 1-v N layer 8 and the undoped Ga 1-u in u N layer between the undoped Ga 1-u in u N layer 5 as the electron transit layer as in the case of the electron supply layer is provided also between the 5, out of the charge for the electron supply layer when the gate voltage V gs becomes larger increases, an undoped Ga 1-u in u N layer 5 can be prevented from decreasing, and G
Deterioration of m and f T can be prevented. Further, by the electron supply layer of the gate electrode 9 side is not provided, the distance between the gate electrode 9 and the undoped Ga 1-u In u N layer 5 is close, the overall high G m Obtainable. And undoped Ga 1-u In u N
The thickness W of the layer 5 is 1 nm or more and 15 nm or less, preferably 2 n
m to 10 nm, the gate voltage V gs
, The decrease in G m can be greatly reduced, and the parasitic resistance (channel resistance) can be kept low. Also, n-type Al z Ga as an electron supply layer
The product of the impurity concentration × thickness of the 1-z N layer 3 is 5 × 10 18 [c
m −3 ] [nm] to 1 × 10 21 [cm −3 ] [nm], preferably 5 × 10 19 [cm −3 ] [nm] to 5 ×
By setting it to 10 20 [cm −3 ] [nm] or less, G m
And f T can be increased. From the above, high G
m, it is possible to realize a high performance GaN-based FET of the high-frequency high-power high f T.

【0029】以上、この発明の一実施形態について具体
的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定さ
れるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種
の変形が可能である。
As described above, one embodiment of the present invention has been specifically described. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications based on the technical idea of the present invention are possible. .

【0030】例えば、上述の一実施形態において挙げた
数値や構造などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じて
これと異なる数値や構造などを用いてもよい。
For example, the numerical values and structures described in the above embodiment are merely examples, and different numerical values and structures may be used as needed.

【0031】また、上述の一実施形態においては、電子
走行層としてInを含む層であるアンドープGa1-u
u N層5を用いているので、このアンドープGa1-u
In u N層5中のInがゲート絶縁膜としてのAlv
1-v N層8に拡散してこれらのAlv Ga1-v N層8
およびアンドープGa1-u Inu N層5の双方の劣化が
生じることもあり得ることから、これを防止するため
に、Alv Ga1-v N層8とアンドープGa1-u Inu
N層5との間に例えばアンドープGaNなどからなる薄
いバッファ層を設けるようにしてもよい。
In one embodiment, the electronic
Undoped Ga which is a layer containing In as a running layer1-uI
nuSince the N layer 5 is used, the undoped Ga1-u
In uIn in the N layer 5 is Al as a gate insulating film.vG
a1-vThese Al are diffused into the N layer 8 and these AlvGa1-vN layer 8
And undoped Ga1-uInuDeterioration of both of the N layers 5
To prevent this from happening.
And AlvGa1-vN layer 8 and undoped Ga1-uInu
A thin layer made of, for example, undoped GaN
A buffer layer may be provided.

【0032】さらに、場合によっては、電子走行層とし
て、アンドープGa1-u Inu N層5の代わりにドーピ
ングしたGa1-u Inu N層を用いてもよい。
Furthermore, in some cases, as an electron transit layer may be used Ga 1-u In u N layer doped instead of the undoped Ga 1-u In u N layer 5.

【0033】[0033]

【発明の効果】以上説明したように、この発明によるヘ
テロ接合電界効果トランジスタによれば、構造の最適化
により、GaN系半導体を用いた素子本来の性能を発揮
することができ、高性能化を図ることができる。
As described above, according to the heterojunction field effect transistor of the present invention, the original performance of a device using a GaN-based semiconductor can be exhibited by optimizing the structure, and higher performance can be achieved. Can be planned.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明者が検討したGaN系FETを示す略線
図である。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a GaN-based FET studied by the present inventors.

【図2】コンピュータシミュレーションにより求めたG
aN系FETのGm −Vgs特性を示す略線図である。
FIG. 2 G obtained by computer simulation
It is a schematic diagram showing a G m -V gs characteristics of aN based FET.

【図3】コンピュータシミュレーションにより求めたG
aN系FETのfT −Vgs特性を示す略線図である。
FIG. 3 G obtained by computer simulation
It is a schematic diagram showing an f T -V gs characteristics of aN based FET.

【図4】図1に示すGaN系FETにおける伝導帯を示
す略線図である。
FIG. 4 is a schematic diagram showing a conduction band in the GaN-based FET shown in FIG.

【図5】この発明の一実施形態によるGaN系FETを
示す略線図である。
FIG. 5 is a schematic diagram showing a GaN-based FET according to an embodiment of the present invention.

【図6】この発明の一実施形態によるGaN系FETを
示す断面図である。
FIG. 6 is a sectional view showing a GaN-based FET according to an embodiment of the present invention.

【図7】図5に示すGaN系FETにおける伝導帯を示
す略線図である。
FIG. 7 is a schematic diagram showing a conduction band in the GaN-based FET shown in FIG.

【図8】この発明の一実施形態によるGaN系FETに
おける二次元電子ガスの中心のVgs依存性を示す略線図
である。
FIG. 8 is a schematic diagram illustrating V gs dependence of the center of a two-dimensional electron gas in a GaN-based FET according to an embodiment of the present invention.

【図9】従来のGaN系HEMTを示す断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view showing a conventional GaN-based HEMT.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1・・・Alx Ga1-x N層、2・・・Aly Ga1-y
N層、3、7・・・n型Alz Ga1-z N層、4、6・
・・アンドープAlz Ga1-z N層、5・・・アンドー
プGa1-u Inu N層、8・・・Alv Ga1-v N層、
9・・・ゲート電極、10・・・ソース電極、11・・
・ドレイン電極
1 ··· Al x Ga 1-x N layer, 2 ··· Al y Ga 1- y
N layer, 3, 7,... N-type Al z Ga 1 -z N layer, 4, 6,.
· Undoped Al z Ga 1-z N layer, 5 ... undoped Ga 1-u In u N layer, 8 ··· Al v Ga 1- v N layer,
9 ... gate electrode, 10 ... source electrode, 11 ...
・ Drain electrode

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 Alx Ga1-x N(ただし、1≧x≧
0)からなる基層と、 上記基層上のAly Ga1-y N(ただし、1≧y>0)
からなるバリア層と、 上記バリア層上のAlz Ga1-z N(ただし、1≧z≧
0)からなる電子供給層と、 上記電子供給層上のGa1-u Inu N(ただし、1≧u
≧0)からなる電子走行層と、 上記電子走行層上のAlv Ga1-v N(ただし、1≧v
>0)からなるゲート絶縁膜とを有することを特徴とす
るヘテロ接合電界効果トランジスタ。
An Al x Ga 1 -xN (where 1 ≧ x ≧ 1)
0) and the base layer consisting of, on the base layer Al y Ga 1-y N (provided that, 1 ≧ y> 0)
And Al z Ga 1-z N on the barrier layer (where 1 ≧ z ≧
0), and Ga 1 -uInuN (where 1 ≧ u) on the electron supply layer.
≧ 0) and an Al v Ga 1-v N (1 ≧ v) on the electron transit layer
A hetero-junction field-effect transistor comprising:
【請求項2】 上記電子供給層の不純物濃度と厚さとの
積が5×1018[cm-3][nm]以上1×1021[c
-3][nm]以下であることを特徴とする請求項1記
載のヘテロ接合電界効果トランジスタ。
2. The product of the impurity concentration and the thickness of the electron supply layer is 5 × 10 18 [cm −3 ] [nm] or more and 1 × 10 21 [c].
2. The heterojunction field-effect transistor according to claim 1, wherein the value is not more than m -3 ] [nm].
【請求項3】 上記電子供給層の不純物濃度と厚さとの
積が5×1019[cm-3][nm]以上5×1020[c
-3][nm]以下であることを特徴とする請求項1記
載のヘテロ接合電界効果トランジスタ。
3. The product of the impurity concentration and the thickness of the electron supply layer is 5 × 10 19 [cm −3 ] [nm] or more and 5 × 10 20 [c].
2. The heterojunction field-effect transistor according to claim 1, wherein the value is not more than m -3 ] [nm].
【請求項4】 上記電子走行層の厚さが1nm以上15
nm以下であることを特徴とする請求項1記載のヘテロ
接合電界効果トランジスタ。
4. The thickness of the electron transit layer is 1 nm or more and 15 nm or more.
2. The heterojunction field effect transistor according to claim 1, wherein the thickness is not more than nm.
【請求項5】 上記電子走行層の厚さが2nm以上10
nm以下であることを特徴とする請求項1記載のヘテロ
接合電界効果トランジスタ。
5. The method according to claim 1, wherein the thickness of the electron transit layer is from 2 nm to 10 nm.
2. The heterojunction field effect transistor according to claim 1, wherein the thickness is not more than nm.
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