TWI424568B - Semiconductor device - Google Patents
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Description
本發明係關於一種半導體裝置，特別是關於一種在單一之基板具備電晶體元件與整流元件的半導體裝置。
以往，有一種在單一之基板上形成有電晶體元件與整流元件的半導體裝置。在單一基板內使整流元件附加於利用二維電子氣體層之橫型場效電晶體(FET)的情況下，係有如圖13之構造(例如，參照專利文獻1)。
根據圖13，半導體裝置200係具備配置在基板100之上之氮化物半導體的異質接合(heterojunction)101。異質接合101，係形成在透過緩衝層102形成於基板100之上的第1氮化物半導體103與形成於第1氮化物半導體103之上方的第2氮化物半導體104之間。第1氮化物半導體103係在異質接合101之附近具有二維電子氣體層。在第2氮化物半導體104之上，係設有歐姆接合(ohmic junction)於二維電子氣體之源極電極105及汲極電極106。在源極電極105與汲極電極106之間且在第2氮化物半導體104之上，係配置有閘極電極107。此外，從汲極電極106觀看，在與閘極電極之對側且在第2氮化物半導體104之上，係設有與第2氮化物半導體104作肖特基接合(Schottky junction)之肖特基電極108。以此方式，形成以此肖特基電極108為陽極電極，以汲極電極106為陰極電極的整流元件109，而形成在單一之基板100上具備電晶體元件110與整流元件109的半導體裝置200。
在以製作高耐壓且高速之GaN系半導體裝置為前提的情況下，為了使該半導體裝置高速動作，較佳為在陽極電極使用肖特基能障二極體(Schottky barrier diode)(SBD)構造，該肖特基能障二極體(SBD)係使用適合於高速動作之肖特基電極。
專利文獻1：日本特開2006-310769號公報
然而，在使用肖特基電極的情況下，會有當施加高電壓時在逆向偏壓下漏電流較多的問題點。又，若為了抑制在逆向偏壓之漏電流，而採用肖特基能障較高之肖特基電極時，則有順向壓降Vf會變高的抵換(trade off)。
有鑑於上述課題，本發明之目的係在於提供一種半導體裝置，其係在單一基板上將施加高電壓時逆向偏壓之漏電流較少且順向壓降Vf較低的整流元件、以及電晶體元件形成為一體。
本發明之半導體裝置，為了達成上述目地，係以以下方式構成。
第1半導體裝置(對應申請專利範圍第1項)，係在單一之基板上具備電晶體元件與整流元件，其特徵在於：該電晶體元件，具備：形成在基板上之活性層、以及接合於活性層之源極電極、汲極電極、及閘極電極；整流元件，具備：接合於活性層之陽極電極、使用汲極電極之陰極電極、以及在陽極電極與陰極電極之間的輔助電極；活性層，具有：第1氮化物半導體層、異質接合在第1氮化物半導體層上所形成之第2氮化物半導體層、以及形成在第1氮化物半導體層中之二維載體氣體層。
第2半導體裝置(對應申請專利範圍第2項)，在上述之構成中，較佳為源極電極與陽極電極與輔助電極係電氣連接。
第3半導體裝置(對應申請專利範圍第3項)，在上述之構成中，較佳為輔助電極具有控制二維載體氣體層之載體濃度的功能。
第4半導體裝置(對應申請專利範圍第4項)，在上述之構成中，較佳為輔助電極係在與第2氮化物半導體層之間形成較陽極電極還高的障壁。
第5半導體裝置(對應申請專利範圍第5項)，在上述之構成中，較佳為輔助電極係由第1輔助電極與第2輔助電極所構成。
第6半導體裝置(對應申請專利範圍第6項)，在上述之構成中，較佳為第1輔助電極係設於陽極電極與第2輔助電極之間，具有控制二維載體氣體層之載體濃度的功能；第2輔助電極係設於汲極電極與第1輔助電極之間，在與第2氮化物半導體層之間形成較陽極電極還高的障壁。
第7半導體裝置(對應申請專利範圍第7項)，在上述之構成中，較佳為在電晶體元件，係於閘極電極與汲極電極之間設有第3輔助電極。
第8半導體裝置(對應申請專利範圍第8項)，在上述之構成中，較佳為陽極電極係與活性層作歐姆接合之電極。
第9半導體裝置(對應申請專利範圍第9項)，在上述之構成中，較佳為陽極電極係與活性層作肖特基接合之電極。
根據本發明，即可提供一種將整流元件、以及電晶體元件一體地形成在單一基板上的半導體裝置，其中該整流元件係在施加高電壓時逆向偏壓之漏電流較少且順向壓降Vf較低。
以下，根據附加圖式說明本發明之較佳實施形態(實施例)。
圖1係本發明之第1實施形態之半導體裝置的剖面圖。半導體裝置10係在單一之基板11上具備電晶體元件12與整流元件13。電晶體元件12係具備形成在基板11上之活性層14、以及形成於活性層14之源極電極15、汲極電極16、及閘極電極17。整流元件13係具備形成於活性層14之陽極電極18、使用汲極電極16之陰極電極、以及在陽極電極18與陰極電極之間的第1輔助電極19。
活性層14係具有第1氮化物半導體層(通道層(載體行進層))20、異質接合在第1氮化物半導體層20上所形成之第2氮化物半導體層(阻障層(載體供應層))21、以及形成在第1氮化物半導體層20中之二維載體氣體層22。又，在基板11與第1氮化物半導體層20之間，係形成有緩衝層23。
基板11之材料可選擇碳化矽、藍寶石、尖晶石、ZnO、矽、鎵氮化物、鋁氮化物、或III族氮化物材料可成長之任意其他材料。本實施形態中之基板11係由矽構成。
緩衝層23係生成在基板11上，用以減少基板11與通道層20之間的晶格不匹配。緩衝層23雖以設置成膜厚為約1000較佳，不過亦可使用其他膜厚。緩衝層23可由多種不同之材料構成，適當之材料係Alx
Ga1-x
N(0≦x≦1)。本實施形態中之緩衝層係由反覆積層GaN(Alx1
Ga1-x1
N，x1=0)與AlGaN(Alx2
Ga1-x2
N，x2=1)之構造所構成。
緩衝層23可使用有機金屬氣相成長法(MOVPE)、或分子線磊晶(MBE)等已知之半導體成長法形成在基板11上。
半導體裝置10係進一步具備形成在緩衝層23上之通道層20。適當之通道層20係由Aly1
Gay2
In(1-y1-y2)
N(0≦y1＜1，0≦y2≦1，y1+y2≦1)等之III族氮化物材料所構成。本實施形態中，通道層20係膜厚約2μm且由無摻雜之GaN層所構成。通道層20可使用有機金屬氣相成長法(MOVPE)、或分子線磊晶(MBE)等已知之半導體成長法形成在緩衝層23上。
又，半導體裝置10中，係在通道層20上形成有阻障層21。通道層20及阻障層21係分別由摻雜或無摻雜之III族氮化物材料構成。阻障層21係由InGaN、AlGaN、AlN、或該等之組合等之不同材料的1個或複數個層所構成。本實施形態中，阻障層21係由22.5nm之Alz
Ga1-z
N(0＜z≦1)所構成。二維電子氣體(2DEG)層22係形成在通道層20中之通道層20與阻障層21的異質(hetero)界面附近。元件間之電氣性分離係在半導體裝置10之外部藉由台面刻蝕(mesa etch)或離子植入來形成。阻障層21可使用有機金屬氣相成長法(MOVPE)、或分子線磊晶(MBE)等已知之半導體成長法形成在通道層20上。
再者，在半導體裝置10之電晶體元件12，金屬之源極電極15及汲極電極16係形成為彼此分離，在整流元件13，金屬之陽極電極18係形成為與汲極電極16分離，而且從汲極電極16觀看係與源極電極15形成在相反側。作為使用於此等電極之金屬，例如包含鈦、鋁、金、或鎳之合金，不過亦可使用不限制於此等之不同的材料。此外，此等源極電極15、汲極電極16、以及陽極電極18，係與二維電子氣體(2DEG)層22作歐姆接觸。
電晶體元件12之閘極電極17係形成在源極電極15與汲極電極16之間。使用於閘極電極17之金屬，例如包含金、鎳、鈀、銦、鈦、鉻、鈦與鎢之合金、或矽化鉑，不過亦可使用不限制於此等之不同的材料。
整流元件13之第1輔助電極19係形成在作為陰極電極之汲極電極16與陽極電極18之間。使用於第1輔助電極19之金屬，例如包含金、鎳、鈀、銦、鈦、鉻、鈦與鎢之合金、或矽化鉑，不過亦可使用不限制於此等之不同的材料。第1輔助電極19係具有控制流至汲極電極16與陽極電極18之間之電流的功能。亦即，在第1輔助電極19之電位低於汲極電極16之電位的情況下，可使第1輔助電極正下方之2DEG的載體濃度降低。又，如圖1所示，第1輔助電極19較佳為配置在與阻障層21之一部分薄化而成之凹槽構造的內部。又，較佳為在第1輔助電極19與阻障層21之間，形成p型半導體層、p型金屬氧化物半導體層、或絕緣層。作為p型半導體層可使用摻雜有Mg之GaN層，作為p型金屬氧化物半導體層可使用氧化鎳層，作為絕緣層則可使用氧化鋁層。在本實施形態中之第1輔助電極19與阻障層21之間，係形成有p型半導體層19a。
又，如圖1所示般源極電極15與陽極電極18與第1輔助電極19係電氣連接。
其次，參照圖2～圖4說明本發明之第1實施形態之半導體裝置10的動作。
圖2(a)係表示未設有第1輔助電極19之構造，圖2(b)則表示圖2(a)之構造的電流電壓特性。在陽極18-陰極16間施加電壓時之電流電壓特性，係呈現如圖2(b)之直線A般的歐姆特性。
圖3(a)係表示本發明之第1實施形態之半導體裝置10之整流元件13的構造，係呈在圖2(a)所示之構造設有第1輔助電極19的構造。圖3(b)則表示在圖3(a)所示之構造的電流電壓特性。圖4係表示在第1輔助電極19與阻障層21與通道層20之接合的能帶圖。
當在陽極電極18施加有較汲極電極16還低之電壓時，在第1輔助電極19亦施加有相等之電壓，此時之能帶圖係如圖4(a)所示。亦即，由於在通道層20並未形成有二維電子氣體導致載體較少，因此在陽極18-陰極16間電流不易流動(圖3(b)之區域C)。若將電壓從前述電壓往正方向逐漸增加時，則在電壓Vf能帶圖係成為如圖4(b)般，而呈所謂的平帶(flat band)狀態。再者，若將電壓往正逐漸增加時，則能帶圖係成為如圖4(c)般，在通道層20即形成二維電子氣體層22，隨著電壓之增加二維電子氣體之濃度亦逐漸增加。藉此，在陽極18-陰極16間電流即流動，且因電壓之增加電流亦逐漸增加(圖3(b)之區域D)。如此，整流元件13便具有整流性。
在上述所述之電壓(順向壓降)Vf係在能帶圖(圖4(b))為平帶(flat band)時施加於第1輔助電極19的電壓，在將第1輔助電極19視為電晶體之閘極電極時，該電壓亦具有與閘極閾值電壓Vth相同的意義。藉由以降低可形成能帶圖(圖4(b))之平帶之電壓的條件來形成通道層20、阻障層21、以及第1輔助電極19，即可實現具有低順向壓降Vf的整流元件13。又，由於逆向之漏電流係取決於第1輔助電極19之構造，因此在本電極較佳於第1輔助電極19與阻障層21表面之間，使用p型半導體材料或絕緣材料，藉此設置成不會引起載體從第1輔助電極19注入至阻障層21的構造。
如以上般，即可提供一種整流元件13與電晶體元件12在單一基板11上成為一體的半導體裝置10，其中該整流元件13係在以逆向電壓施加高電壓時漏電流較少且Vf(順向壓降)較低。
其次，說明本發明之第2實施形態的半導體裝置。第2實施形態中，如圖5所示，係在半導體裝置30之陽極電極31使用肖特基電極所形成之低Vf的整流電極。例如，使用Ti、W等。除此以外，由於與第1實施形態相同，因此對同一構成元件係賦予同一符號並省略其說明。
其次，參照圖6說明本發明之第2實施形態之半導體裝置30的動作。
圖6(a)係表示未設有第1輔助電極19之構造，圖6(b)則表示在圖6(a)之構造的電流電壓特性。在陽極電極31-陰極電極16間施加電壓時之電流電壓特性，係呈現如圖6(b)之曲線E般的特性。
圖7(a)係表示本發明之第2實施形態之半導體裝置30之整流元件13的構造，係呈在圖6(a)所示之構造設有第1輔助電極19的構造。圖7(b)則表示在圖7(a)之構造的電流電壓特性。由於此整流元件32中在第1輔助電極19與阻障層21與通道層20之接合的能帶圖，係與在第1實施形態說明者相同，因此使用圖4加以說明。
當在陽極電極31施加有較汲極電極16還低之電壓時，在第1輔助電極19亦施加有相等之電壓，此時之能帶圖係如圖4(a)所示。亦即，由於在通道層20並未形成有二維電子氣體導致載體較少，因此在陽極電極31-陰極電極16間電流不易流動(圖7(b)之區域G)。若將電壓從前述電壓往正逐漸增加時，則在電壓Vf能帶圖係成為如圖4(b)般，而呈所謂的平帶狀態。再者，若將電壓往正逐漸增加時，則能帶圖係成為如圖4(c)般，在通道層20即形成二維電子氣體層22，隨著電壓之增加二維電子氣體之濃度亦逐漸增加。藉此，在陽極電極31-陰極電極16間電流即流動，且因電壓之增加電流亦逐漸增加。此電流之增加係因肖特基能障二極體的特性而增加(圖7(b)之區域H)。又，電壓Vf係受第1輔助電極19之閘極閾值、以及陽極電極31與2DEG22間之順向電壓之較高一方的電壓所節制。如此，整流元件32即具有整流性。
本實施形態中，在較高之逆向電壓施加於整流元件32時，高電壓(高電場)即施加在第1輔助電極19。其結果，在低Vf之整流電極(陽極電極)31僅施加較低之逆向電壓(數V～10V左右)。低Vf之整流電極(陽極電極)31一般而言雖有漏電流較多之抵換，不過由於在本構造中之整流電極(陽極電極)31僅施加低電壓，因此可在低漏電流之區域使其動作。作為實現低Vf之整流電極的手段，不僅可選擇功函數較小之肖特基電極，亦可採用如圖8所示之使二維電子氣體層22與肖特基電極33直接接合之凹槽肖特基構造。
如以上般，即可提供一種二極體區域與電晶體區域成為一體的半導體裝置，其中該二極體區域具有在施加高電壓時漏電流較少且Vf(順向壓降)較低的二極體構造。
其次，說明本發明之第3實施形態的半導體裝置。第3實施形態中之半導體裝置40，如圖9所示，除了整流元件41之輔助電極為由第1輔助電極42與第2輔助電極43構成以外，係與在第1或第2實施形態所明之半導體裝置相同。因此，對與第1實施形態同一之構成元件係賦予同一符號並省略其說明。第1輔助電極42係具有與實施例1中之第1輔助電極19同樣的構造。第2輔助電極43，除了設於凹槽構造內以外，係與輔助電極42同樣地構成。亦即，在第1輔助電極42與阻障層21之間、以及第2輔助電極43與阻障層21之間，係形成p型半導體層42a,43a。
在圖1所說明之半導體裝置10的輔助電極為一個之構造中，係有第1輔助電極19無法耐受高電壓(高電場)的情形。在此情況下，藉由除了此第1輔助電極42以外與第2輔助電極43組合，即可在第1輔助電極42僅施加低電壓而使元件良好地動作。
如以上般，即可提供一種二極體區域與電晶體區域成為一體的半導體裝置，其中該二極體區域係具有在施加高電壓時漏電流較少且Vf(順向壓降)較低的二極體構造。
其次，說明本發明之第4實施形態的半導體裝置。第4實施形態中，如圖10～圖12所示，對第1～第3實施形態之在圖1～圖9所說明之半導體裝置的電晶體元件，亦附加與第2輔助電極43同一構造的輔助電極50。除了附加輔助電極50以外，係與在第1實施形態～第3實施形態所說明之半導體裝置相同。因此，對與在第1實施形態～第3實施形態所說明之半導體裝置同一的構成元件，係賦予同一符號並省略其說明。
如圖10～圖12所示，藉由對電晶體元件亦附加與第2輔助電極43同一構造的輔助電極50，而在電晶體元件亦加入輔助電極50，藉此謀求電晶體元件之低漏電流化。尤其，由於圖12係電晶體元件與整流元件在施加高電壓(高電場)之部位的構造完全相同，因此可將元件之耐壓設計予以單純化。又，由於施加高電壓之輔助電極50與汲極電極間之電荷的充放電路徑係僅主電路且屬低阻抗，因此有可進行高速之切換的優點。由於輔助電極50不存在之在閘極/汲極電極間之電荷的充放電，係經由具有特定阻抗之閘極電路，因此相對地切換較慢。
又，在以上第1～第4實施形態所說明之半導體裝置中，由於整流元件之整流動作在所有之例中皆為單極性(unipolar)動作，因此相較於通常之矽金氧半導體場效電晶體(silicon MOSFET)的內接二極體(body diode)者或矽速復二極體(silicon FRD：silicon fast recovery diode)，具有逆向恢復特性優異的優點。
此外，圖12之構造係製程最為簡單且耐壓設計亦可單純化。由於逆向導通時之Vf係與電晶體元件之閘極閾值電壓Vth相同，因此在進行低Vf化時電晶體元件具有在低電壓亦可驅動的優點。電晶體元件之閘極構造係將凹槽構造與p型半導體材料加以組合，而設置成可獲得常關(normally off)特性。在輔助電極50係使用與閘極共通之p型半導體材料，而不應用凹槽構造。習知之高耐壓矽金氧半導體場效電晶體，為了使其on(導通)必需施加+10V以上之閘極電壓，而根據本例則由於Vth=Vf，因此藉由進行Vf之製入，即可同時地實現在+3～+5V左右on(導通)的電晶體元件。
又，為了高電壓施加時之穩定動作，較佳附加電場板(field plate)構造。電場板電極較佳係與和汲極電極相對向之輔助電極、或者源極電極電氣連接。閘極電極可採取肖特基金屬材料、p型半導體材料與絕緣材料(MIS構造)、凹槽構造等之組合。其特性係常開型(normally on)、常關型(normally off)之任一種皆可。以上所有構造係可應用於圖1至圖12之元件。本發明並非僅應用於AlGaN/GaN之單純異質構造，而亦可應用於附加有間隙層、間隔物層的GaN/AlGaN/AlN/GaN構造。本發明亦可應用於不使用二維電子氣體作為通道層之FET構造、例如使用n型GaN層作為通道層之MESFET構造、以及使用反向通道層之MOSFET構造。
針對在以上之實施形態所說明的構成、形狀、大小、以及配置關係，本發明只不過是以可理解‧實施的程度概略地予以揭示，而且針對數值及各構成之組成(材質)等亦只不過是例示。因此，本發明並非限制於所說明之實施形態，只要不超出申請專利範圍所示之技術思想的範圍，係可變更成各種形態。又，亦可將實施例彼此加以組合。
本發明之半導體裝置係可利用在作為高頻‧高耐壓動作之電力元件的半導體裝置等。
10．．．半導體裝置
11．．．基板
12．．．電晶體元件
13．．．整流元件
14．．．活性層
15．．．源極電極
16．．．汲極電極
17．．．閘極電極
18．．．陽極電極
19．．．第1輔助電極
20．．．第1氮化物半導體層(通道層(載體行進層))
21．．．第2氮化物半導體層(阻障層(載體供應層))
22．．．二維載體氣體層
23．．．緩衝層
圖1係本發明之第1實施形態之半導體裝置的剖面圖。
圖2(a)係表示未設有輔助電極之構造，(b)則表示(a)之構造的電流電壓特性。
圖3(a)係表示本發明之第1實施形態之半導體裝置之整流元件的構造，(b)則表示(a)所示之構造的電流電壓特性。
圖4係表示在輔助電極與阻障層與通道層之接合的能帶圖。
圖5係本發明之第2實施形態之半導體裝置的剖面圖。
圖6(a)係表示表示未設有輔助電極之構造，(b)則表示(a)之構造的電流電壓特性。
圖7(a)係表示本發明之第2實施形態之半導體裝置之整流元件的構造，(b)則表示(a)所示之構造的電流電壓特性。
圖8係表示本發明之第2實施形態之半導體裝置的變形例。
圖9係本發明之第3實施形態之半導體裝置的剖面圖。
圖10係本發明之第4實施形態之半導體裝置的剖面圖。
圖11係本發明之第4實施形態之半導體裝置的剖面圖。
圖12係本發明之第4實施形態之半導體裝置的剖面圖。
圖13係習知之半導體裝置的剖面圖。
10．．．半導體裝置
11．．．基板
12．．．電晶體元件
13．．．整流元件
14．．．活性層
15．．．源極電極
16．．．汲極電極
17．．．閘極電極
18．．．陽極電極
19．．．第1輔助電極
19a．．．p型半導體層
20．．．第1氮化物半導體層(通道層(載體行進層))
21．．．第2氮化物半導體層(阻障層(載體供應層))
22．．．二維載體氣體層
23．．．緩衝層
Claims (9)
- 一種半導體裝置，係在單一之基板上具備電晶體元件與整流元件，其特徵在於：該電晶體元件，具備：形成在該基板上之活性層、以及接合於該活性層之源極電極、汲極電極、及閘極電極；該整流元件，具備：接合於該活性層之陽極電極、使用該汲極電極之陰極電極、以及在該陽極電極與該陰極電極之間的輔助電極；該活性層，具有：第1氮化物半導體層、異質接合在該第1氮化物半導體層上所形成之第2氮化物半導體層、以及形成在該第1氮化物半導體層中之二維載體氣體層。
- 如申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中，該源極電極與該陽極電極與該輔助電極係電氣連接。
- 如申請專利範圍第1或2項之半導體裝置，其中，該輔助電極具有控制該二維載體氣體層之載體濃度的功能。
- 如申請專利範圍第1或2項之半導體裝置，其中，該輔助電極係在與該第2氮化物半導體層之間形成較該陽極電極還高的障壁。
- 如申請專利範圍第1或2項之半導體裝置，其中，該輔助電極係由第1輔助電極與第2輔助電極所構成。
- 如申請專利範圍第5項之半導體裝置，其中，該第1輔助電極係設於該陽極電極與該第2輔助電極之間，具有控制該二維載體氣體層之載體濃度的功能；該第2輔助電極係設於該汲極電極與該第1輔助電極之間，在與該第2氮化物半導體層之間形成較該陽極電極還高的障壁。
- 如申請專利範圍第1或2項之半導體裝置，其中，在該電晶體元件，係於該閘極電極與該汲極電極之間設有第3輔助電極。
- 如申請專利範圍第1或2項之半導體裝置，其中，該陽極電極係與該活性層作歐姆接合之電極。
- 如申請專利範圍第1或2項之半導體裝置，其中，該陽極電極係與該活性層作肖特基接合之電極。
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| CN104465795B (zh) * | 2014-11-19 | 2017-11-03 | 苏州捷芯威半导体有限公司 | 一种肖特基二极管及其制作方法 |
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| CN105140278A (zh) * | 2015-07-30 | 2015-12-09 | 电子科技大学 | 一种具有栅控结构的GaN异质结功率二极管 |
| CN108807524B (zh) * | 2017-09-06 | 2021-11-02 | 苏州捷芯威半导体有限公司 | 半导体器件及其制造方法 |
| WO2019053905A1 (ja) * | 2017-09-15 | 2019-03-21 | サンケン電気株式会社 | 半導体装置 |
| CN107978642B (zh) * | 2017-12-14 | 2021-02-02 | 中国科学院半导体研究所 | 一种GaN基异质结二极管及其制备方法 |
| TWI666767B (zh) * | 2018-08-31 | 2019-07-21 | 友達光電股份有限公司 | 主動元件基板 |
| CN111048596A (zh) * | 2019-12-06 | 2020-04-21 | 中山大学 | 一种肖特基二极管及其制备方法 |
| CN112119505B (zh) * | 2020-08-13 | 2023-03-17 | 英诺赛科（珠海）科技有限公司 | 半导体装置结构及其制造方法 |
| CN113675270B (zh) * | 2021-08-27 | 2023-05-05 | 电子科技大学 | 一种具有逆向导通能力的GaN RC-HEMT |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TW200605350A (en) * | 2004-07-23 | 2006-02-01 | Cree Inc | Methods of fabricating nitride-based transistors with a cap layer and a recessed gate |
| JP2006310769A (ja) * | 2005-02-02 | 2006-11-09 | Internatl Rectifier Corp | Ｉｉｉ族窒化物一体化ショットキおよび電力素子 |
| TW200709297A (en) * | 2005-07-29 | 2007-03-01 | Int Rectifier Corp | Normally off III-nitride semiconductor device having a programmable gate |
| JP2007150282A (ja) * | 2005-11-02 | 2007-06-14 | Sharp Corp | 電界効果トランジスタ |
| JP2007250792A (ja) * | 2006-03-15 | 2007-09-27 | Furukawa Electric Co Ltd:The | 半導体素子 |
Family Cites Families (29)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2655594B2 (ja) * | 1984-01-10 | 1997-09-24 | 日本電気株式会社 | 集積型半導体装置 |
| EP1177576A2 (de) | 1999-03-31 | 2002-02-06 | SiCED Electronics Development GmbH & Co KG | Integrierte halbleitervorrichtung mit einem lateralen leistungselement |
| JP2000286428A (ja) | 1999-03-31 | 2000-10-13 | Nec Corp | 電界効果トランジスタ |
| US6586781B2 (en) * | 2000-02-04 | 2003-07-01 | Cree Lighting Company | Group III nitride based FETs and HEMTs with reduced trapping and method for producing the same |
| US20030201459A1 (en) * | 2001-03-29 | 2003-10-30 | Sheppard Scott Thomas | Nitride based transistors on semi-insulating silicon carbide substrates |
| JP4904299B2 (ja) | 2001-11-27 | 2012-03-28 | 古河電気工業株式会社 | 電力変換装置用ＧａＮ系半導体装置 |
| JP4177048B2 (ja) | 2001-11-27 | 2008-11-05 | 古河電気工業株式会社 | 電力変換装置及びそれに用いるＧａＮ系半導体装置 |
| JP4177124B2 (ja) | 2002-04-30 | 2008-11-05 | 古河電気工業株式会社 | ＧａＮ系半導体装置 |
| JP4875660B2 (ja) | 2002-04-30 | 2012-02-15 | 古河電気工業株式会社 | Ｉｉｉ−ｖ族窒化物半導体装置 |
| DE10300264A1 (de) * | 2003-01-08 | 2004-08-19 | Delphi Technologies, Inc., Troy | Blockdichtungssystem |
| US8174048B2 (en) * | 2004-01-23 | 2012-05-08 | International Rectifier Corporation | III-nitride current control device and method of manufacture |
| JP5237535B2 (ja) | 2005-07-28 | 2013-07-17 | パナソニック株式会社 | 半導体装置 |
| JP5052807B2 (ja) | 2006-03-29 | 2012-10-17 | 古河電気工業株式会社 | 半導体装置及び電力変換装置 |
| JP5036233B2 (ja) * | 2006-07-06 | 2012-09-26 | シャープ株式会社 | 半導体スイッチング素子および半導体回路装置 |
| FR2914500B1 (fr) * | 2007-03-30 | 2009-11-20 | Picogiga Internat | Dispositif electronique a contact ohmique ameliore |
| JP5192175B2 (ja) | 2007-05-01 | 2013-05-08 | シャープ株式会社 | ヘテロ接合電界効果トランジスタ |
| JP4695622B2 (ja) * | 2007-05-02 | 2011-06-08 | 株式会社東芝 | 半導体装置 |
| JP5319084B2 (ja) | 2007-06-19 | 2013-10-16 | ルネサスエレクトロニクス株式会社 | 半導体装置 |
| JP5487550B2 (ja) | 2007-08-29 | 2014-05-07 | サンケン電気株式会社 | 電界効果半導体装置及びその製造方法 |
| JP5504561B2 (ja) * | 2007-11-29 | 2014-05-28 | 日亜化学工業株式会社 | 定電流ダイオード及び定電流ダイオード付き発光装置 |
| JP2009164158A (ja) | 2007-12-28 | 2009-07-23 | Panasonic Corp | 半導体装置及びその製造方法 |
| JP2009182107A (ja) | 2008-01-30 | 2009-08-13 | Furukawa Electric Co Ltd:The | 半導体装置 |
| JP5439725B2 (ja) * | 2008-02-20 | 2014-03-12 | サンケン電気株式会社 | 半導体スイッチング装置 |
| JP2009218528A (ja) | 2008-03-13 | 2009-09-24 | Furukawa Electric Co Ltd:The | ＧａＮ系電界効果トランジスタ |
| JP2009246045A (ja) | 2008-03-28 | 2009-10-22 | Furukawa Electric Co Ltd:The | 電界効果トランジスタ及びその製造方法 |
| JP5170885B2 (ja) | 2008-03-31 | 2013-03-27 | 古河電気工業株式会社 | 電界効果トランジスタ及びその製造方法 |
| JP2010087274A (ja) | 2008-09-30 | 2010-04-15 | Sanken Electric Co Ltd | 半導体装置 |
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| US8368121B2 (en) * | 2010-06-21 | 2013-02-05 | Power Integrations, Inc. | Enhancement-mode HFET circuit arrangement having high power and high threshold voltage |
-
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-
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TW200605350A (en) * | 2004-07-23 | 2006-02-01 | Cree Inc | Methods of fabricating nitride-based transistors with a cap layer and a recessed gate |
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