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JP2014110311A - Semiconductor device - Google Patents

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JP2014110311A
JP2014110311A JP2012263756A JP2012263756A JP2014110311A JP 2014110311 A JP2014110311 A JP 2014110311A JP 2012263756 A JP2012263756 A JP 2012263756A JP 2012263756 A JP2012263756 A JP 2012263756A JP 2014110311 A JP2014110311 A JP 2014110311A
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Japan
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electrode
diode
transistor
semiconductor device
layer
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Application number
JP2012263756A
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Japanese (ja)
Inventor
Katsunori Ueno
勝典 上野
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Furukawa Electric Co Ltd
Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Furukawa Electric Co Ltd
Fuji Electric Co Ltd
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Publication date
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Abstract

【課題】主電極内の電流密度が低いダイオードとトランジスタとを備える半導体装置を提供すること。
【解決手段】モノリシックに、電気的に並列に接続された、ダイオードと、トランジスタとを備え、主電流が主面側を流れる横型の半導体装置であって、前記ダイオードと前記トランジスタとが主電流を流す主電極を共有し、共有された前記主電極は前記ダイオードと前記トランジスタとに片方ずつ交互に主電流を流すことを特徴とする。
【選択図】図1A
A semiconductor device including a diode and a transistor having a low current density in a main electrode is provided.
A lateral semiconductor device including a diode and a transistor monolithically and electrically connected in parallel, wherein a main current flows on a main surface side, wherein the diode and the transistor receive a main current. A main electrode to be flown is shared, and the shared main electrode allows a main current to flow alternately to the diode and the transistor one by one.
[Selection] Figure 1A

Description

本発明は、ダイオードとトランジスタとをモノリシックに接続した半導体装置に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor device in which a diode and a transistor are monolithically connected.

電力用に使用されるいわゆる半導体装置は、主にダイオードとトランジスタとによって構成される。特にインバータ用途においては、ダイオードとトランジスタとを、電気的に並列に接続して使用するのが一般的である。さらに、電源用途等においても同様に、ダイオードとトランジスタとを、並列に接続して使用することが多い。   A so-called semiconductor device used for electric power is mainly composed of a diode and a transistor. In particular, in an inverter application, a diode and a transistor are generally used by being electrically connected in parallel. Furthermore, in the same way for power supplies, diodes and transistors are often connected in parallel.

ダイオードとトランジスタとを並列に接続する構成は、接続される負荷がモーター等のインダクタンスである場合、トランジスタに流れていた電流を遮断した際に、インダクタンスが電流を維持しようとして逆方向の電圧を発生させるが、その逆方向の電圧による電流をダイオードによって一時的に還流させることができる。   When the connected load is a motor or other inductance, the diode and the transistor are connected in parallel. When the current flowing in the transistor is cut off, the inductance generates a reverse voltage to maintain the current. However, the current due to the reverse voltage can be temporarily returned by the diode.

図3は、インバータ回路の回路図の一例である。この回路図は、ダイオードDとトランジスタTとが並列に接続されたインバータが3つ接続された3相インバータであり、これに電源PとモーターMとが接続されている。この回路において、ダイオードDに電流が流れているときは、トランジスタTには電流は流れておらず、逆に、トランジスタTに電流が流れている間はダイオードDには電流が流れていない。   FIG. 3 is an example of a circuit diagram of the inverter circuit. This circuit diagram is a three-phase inverter in which three inverters in which a diode D and a transistor T are connected in parallel are connected, to which a power source P and a motor M are connected. In this circuit, when a current flows through the diode D, no current flows through the transistor T. Conversely, no current flows through the diode D while a current flows through the transistor T.

ところで、従来から、電力用の半導体装置には、主にシリコンが使用されてきた。一方で、高周波デバイス用半導体装置には、半導体材料として窒化物系、特に窒化ガリウム(GaN)系化合物半導体が用いられている(以下、GaN系半導体装置とする)。GaN系半導体装置は、半導体基板の表面に、例えば有機金属化学気相蒸着(MOCVD:Metal−Organic Chemical Vapor Deposition)法を用いて形成されたバッファ層やGaN系半導体動作層が設けられた構造である。そして最近では、GaN系半導体装置の高周波用途に加え、GaN系半導体装置が電力用の半導体装置にも適用可能であるという認識から、高耐圧、大電流を扱うGaN系半導体装置の検討が行われている(例えば特許文献1参照)。このような状況から、GaN系半導体装置を用いたダイオードとトランジスタとを、並列に接続した半導体装置は実用性が極めて高い。   Conventionally, silicon has been mainly used for power semiconductor devices. On the other hand, nitride-based, particularly gallium nitride (GaN) -based compound semiconductors are used as semiconductor materials in high-frequency device semiconductor devices (hereinafter referred to as GaN-based semiconductor devices). A GaN-based semiconductor device has a structure in which a buffer layer or a GaN-based semiconductor operation layer formed using, for example, metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method is provided on the surface of a semiconductor substrate. is there. Recently, in addition to the high-frequency applications of GaN-based semiconductor devices, GaN-based semiconductor devices that handle high withstand voltages and large currents have been studied based on the recognition that GaN-based semiconductor devices can also be applied to power semiconductor devices. (For example, refer to Patent Document 1). Under such circumstances, a semiconductor device in which a diode using a GaN-based semiconductor device and a transistor are connected in parallel is extremely practical.

図4は、従来技術に係るGaN系半導体を用いたダイオードとGaN系半導体を用いたトランジスタとを並列に接続した半導体装置の模式的な断面図である。ここで図4において、GaN系半導体を用いたダイオードD2はショットキーバリアダイオード(SBD:Schottky Barrier Diode)であり、GaN系半導体を用いたトランジスタT2は高電子移動度トランジスタ(HEMT:High Electron Mobility Transistor)である。図3の回路を構成するために、ダイオードD2のアノード電極aとトランジスタT2のソース電極sとが接続され、さらに、ダイオードD2のカソード電極cとトランジスタT2のドレイン電極dとが、配線によって接続される。ダイオードD2からなる半導体装置200とトランジスタT2からなる半導体装置300とは、個別の装置として別々に製造され、あとでパッケージに組み立てられ、図4のように配線され、最終的な半導体装置1000となる。   FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor device in which a diode using a GaN-based semiconductor and a transistor using a GaN-based semiconductor according to the related art are connected in parallel. Here, in FIG. 4, a diode D2 using a GaN-based semiconductor is a Schottky Barrier Diode (SBD), and a transistor T2 using the GaN-based semiconductor is a high electron mobility transistor (HEMT: High Electron Mobility Transistor). ). To configure the circuit of FIG. 3, the anode electrode a of the diode D2 and the source electrode s of the transistor T2 are connected, and the cathode electrode c of the diode D2 and the drain electrode d of the transistor T2 are connected by wiring. The The semiconductor device 200 composed of the diode D2 and the semiconductor device 300 composed of the transistor T2 are separately manufactured as separate devices, and then assembled into a package, wired as shown in FIG. .

つぎに、図4に示す半導体装置1000を構成するダイオードD2からなる半導体装置200とトランジスタT2からなる半導体装置300とについて説明する。図5Aは、図4に示すGaN系半導体を用いたダイオードからなる半導体装置の一例の模式的な断面図である。図5Aに示すダイオードD2はSBDであって、基板201の上に、GaN層を積層するためのバッファ層202、GaN層203およびAlGaN層204が順次積層されている。GaN層203とAlGaN層204の界面には、AlGaN層204のAl組成比と厚さとを制御することによってその濃度が制御された2次元電子ガス(2DEG)層203aが形成されている。この2DEG層203aが電子を流す通路となる。さらに、AlGaN層204に主電極として、アノード電極aおよびカソード電極cが形成される。   Next, the semiconductor device 200 composed of the diode D2 and the semiconductor device 300 composed of the transistor T2 constituting the semiconductor device 1000 shown in FIG. 4 will be described. FIG. 5A is a schematic cross-sectional view of an example of a semiconductor device including a diode using the GaN-based semiconductor shown in FIG. A diode D2 shown in FIG. 5A is an SBD, and a buffer layer 202 for laminating a GaN layer, a GaN layer 203, and an AlGaN layer 204 are sequentially laminated on a substrate 201. A two-dimensional electron gas (2DEG) layer 203a whose concentration is controlled by controlling the Al composition ratio and thickness of the AlGaN layer 204 is formed at the interface between the GaN layer 203 and the AlGaN layer 204. The 2DEG layer 203a serves as a passage through which electrons flow. Further, an anode electrode a and a cathode electrode c are formed on the AlGaN layer 204 as main electrodes.

図5Bは、図5Aに示すGaN系半導体を用いたダイオードからなる半導体装置を上部から見た模式的な平面図である。図5Bに示すように、半導体装置200は、2DEG層203a上にアノード電極aとカソード電極cとが同一平面状に形成される。そして、アノード電極aとカソード電極cとである主電極は、細長いフィンガー形状となり、外部へ電流を取り出すために、それぞれアノード電極パッド211とカソード電極パッド212とに接続されている。また、半導体装置200の装置幅はW2、フィンガー形状の主電極であるフィンガー電極の長さはL2である。   FIG. 5B is a schematic plan view of the semiconductor device made of a diode using the GaN-based semiconductor shown in FIG. 5A as viewed from above. As shown in FIG. 5B, in the semiconductor device 200, the anode electrode a and the cathode electrode c are formed on the 2DEG layer 203a on the same plane. The main electrodes, which are the anode electrode a and the cathode electrode c, have elongated finger shapes, and are connected to the anode electrode pad 211 and the cathode electrode pad 212, respectively, in order to extract current from the outside. The device width of the semiconductor device 200 is W2, and the length of the finger electrode that is the finger-shaped main electrode is L2.

図6Aは、図4に示すGaN系半導体を用いたトランジスタからなる半導体装置の一例の模式的な断面図である。図6Aに示すトランジスタT2はHEMTであって、基板301の上に、バッファ層302、GaN層303およびAlGaN層304が順次積層され、GaN層303とAlGaN層304の界面には、電子を流す2DEG層303aが形成されている。さらに、AlGaN層304に主電極として、ソース電極s、ドレイン電極d、ゲート電極gが形成される。   6A is a schematic cross-sectional view of an example of a semiconductor device including a transistor using the GaN-based semiconductor shown in FIG. The transistor T2 illustrated in FIG. 6A is a HEMT, and a buffer layer 302, a GaN layer 303, and an AlGaN layer 304 are sequentially stacked on a substrate 301, and 2DEG that allows electrons to flow at the interface between the GaN layer 303 and the AlGaN layer 304. A layer 303a is formed. Further, a source electrode s, a drain electrode d, and a gate electrode g are formed as main electrodes on the AlGaN layer 304.

図6Bは、図6Aに示すGaN系半導体を用いたトランジスタからなる半導体装置を上部から見た模式的な平面図である。図6Bに示すように、半導体装置300は、2DEG層303a上にソース電極sと、ドレイン電極dと、ゲート電極gとが同一平面状に形成される。そして、ソース電極sとドレイン電極dとゲート電極gとである主電極は、細長いフィンガー形状となり、外部へ電流を取り出すために、それぞれソース電極パッド311とドレイン電極パッド312とゲート電極パッド313とに接続されている。また、半導体装置300の装置幅はW3、フィンガー形状の主電極であるフィンガー電極の長さはL3である。   6B is a schematic plan view of the semiconductor device including the transistor using the GaN-based semiconductor illustrated in FIG. 6A as viewed from above. As shown in FIG. 6B, in the semiconductor device 300, the source electrode s, the drain electrode d, and the gate electrode g are formed on the 2DEG layer 303a in the same plane. The main electrodes, which are the source electrode s, the drain electrode d, and the gate electrode g, have an elongated finger shape, and are connected to the source electrode pad 311, the drain electrode pad 312, and the gate electrode pad 313, respectively, in order to extract current to the outside. It is connected. The device width of the semiconductor device 300 is W3, and the length of the finger electrode that is the finger-shaped main electrode is L3.

特開2006−100645号公報JP 2006-100635 A

しかしながら、このようなダイオードとトランジスタとを備える半導体装置において、主電極が図5Bおよび図6Bに示すようなフィンガー形状の配線である場合、主電極内の電流密度が高くなる という問題があった。   However, in such a semiconductor device including a diode and a transistor, when the main electrode is a finger-shaped wiring as shown in FIGS. 5B and 6B, there is a problem that the current density in the main electrode increases.

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、主電極内の電流密度が低いダイオードとトランジスタとを備える半導体装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above, and an object thereof is to provide a semiconductor device including a diode and a transistor having a low current density in a main electrode.

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る半導体装置は、モノリシックに、電気的に並列に接続された、ダイオードと、トランジスタとを備え、主電流が主面側を流れる横型の半導体装置であって、前記ダイオードと前記トランジスタとが主電流を流す主電極を共有し、共有された前記主電極は前記ダイオードと前記トランジスタとに片方ずつ交互に主電流を流すことを特徴とする。   In order to solve the above-described problems and achieve the object, a semiconductor device according to the present invention includes a diode and a transistor monolithically and electrically connected in parallel, and a main current flows on the main surface side. A horizontal semiconductor device, wherein the diode and the transistor share a main electrode through which a main current flows, and the shared main electrode allows a main current to flow alternately through the diode and the transistor one by one. And

また、本発明に係る半導体装置は、上記の発明において、前記主電極は、当該半導体装置上部に形成されたフィンガー電極であることを特徴とする。   The semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the main electrode is a finger electrode formed on an upper portion of the semiconductor device.

また、本発明に係る半導体装置は、上記の発明において、前記ダイオードのアノード電極と前記トランジスタのソース電極が1つの前記主電極を共有し、前記ダイオードのカソード電極と前記トランジスタのドレイン電極が1つの前記主電極を共有することを特徴とする。   In the semiconductor device according to the present invention, the anode electrode of the diode and the source electrode of the transistor share one main electrode, and the cathode electrode of the diode and the drain electrode of the transistor are one in the above invention. The main electrode is shared.

また、本発明に係る半導体装置は、上記の発明において、前記ダイオードの前記アノード電極と前記トランジスタの前記ソース電極とが共有する前記主電極の下部に電流遮断領域を備え、前記電流遮断領域は、前記ダイオードのカソード電極と、前記トランジスタのソース電極との間の電流経路を遮断することを特徴とする。   Further, in the semiconductor device according to the present invention, in the above invention, a current cutoff region is provided below the main electrode shared by the anode electrode of the diode and the source electrode of the transistor, and the current cutoff region is The current path between the cathode electrode of the diode and the source electrode of the transistor is cut off.

また、本発明に係る半導体装置は、上記の発明において、前記ダイオードおよび前記トランジスタは、窒化物系化合物半導体からなる第1化合物半導体層と、前記第1化合物半導体層上の少なくとも一部に形成され、前記第1化合物半導体層よりもバンドギャップエネルギーが大きい窒化物系化合物半導体からなる第2化合物半導体層と、を備え、前記ダイオードおよび前記トランジスタの電気伝導層は、前記第1化合物半導体層と前記第2化合物半導体層との界面付近に形成された2次元電子ガス層であることを特徴とする。   In the semiconductor device according to the present invention, the diode and the transistor are formed in at least a part of the first compound semiconductor layer made of a nitride compound semiconductor and the first compound semiconductor layer. A second compound semiconductor layer made of a nitride compound semiconductor having a band gap energy larger than that of the first compound semiconductor layer, and the electrically conductive layer of the diode and the transistor includes the first compound semiconductor layer and the second compound semiconductor layer. It is a two-dimensional electron gas layer formed near the interface with the second compound semiconductor layer.

また、本発明に係る半導体装置は、上記の発明において、前記電流遮断領域は、前記2次元電子ガス層を、前記主電極をアノード電極として用いる前記ダイオード側の2次元電子ガス層と、前記主電極をソース電極として用いる前記トランジスタ側の2次元電子ガス層と、に分離する2次元電子ガス層分離領域であることを特徴とする。   In the semiconductor device according to the present invention as set forth in the invention described above, the current cutoff region includes the two-dimensional electron gas layer, the two-dimensional electron gas layer on the diode side using the main electrode as an anode electrode, and the main It is a two-dimensional electron gas layer separation region that separates into a two-dimensional electron gas layer on the transistor side using an electrode as a source electrode.

また、本発明に係る半導体装置は、上記の発明において、前記ダイオードはショットキーバリアダイオードであることを特徴とする。   In the semiconductor device according to the present invention as set forth in the invention described above, the diode is a Schottky barrier diode.

本発明によれば、主電極内の電流密度が低いダイオードとトランジスタとを備える半導体装置を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor device including a diode and a transistor having a low current density in the main electrode.

図1Aは、実施の形態に係る半導体装置の模式的な断面図である。FIG. 1A is a schematic cross-sectional view of the semiconductor device according to the embodiment. 図1Bは、図1Aに示す半導体装置を上部から見た模式的な平面図である。1B is a schematic plan view of the semiconductor device shown in FIG. 1A as viewed from above. 図2は、インバータ回路を構成する図4に示す半導体装置と本実施の形態に係る半導体装置とに流れる電流の時間変化を説明する図である。FIG. 2 is a diagram for explaining the time change of the current flowing through the semiconductor device shown in FIG. 4 constituting the inverter circuit and the semiconductor device according to the present embodiment. 図3は、インバータ回路の回路図の一例である。FIG. 3 is an example of a circuit diagram of the inverter circuit. 図4は、従来技術に係るGaN系半導体を用いたダイオードとGaN系半導体を用いたトランジスタとを並列に接続した半導体装置の模式的な断面図である。FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor device in which a diode using a GaN-based semiconductor and a transistor using a GaN-based semiconductor according to the related art are connected in parallel. 図5Aは、図4に示すGaN系半導体を用いたダイオードからなる半導体装置の一例の模式的な断面図である。FIG. 5A is a schematic cross-sectional view of an example of a semiconductor device including a diode using the GaN-based semiconductor shown in FIG. 図5Bは、図5Aに示すGaN系半導体を用いたダイオードからなる半導体装置を上部から見た模式的な平面図である。FIG. 5B is a schematic plan view of the semiconductor device made of a diode using the GaN-based semiconductor shown in FIG. 5A as viewed from above. 図6Aは、図4に示すGaN系半導体を用いたトランジスタからなる半導体装置の一例の模式的な断面図である。6A is a schematic cross-sectional view of an example of a semiconductor device including a transistor using the GaN-based semiconductor shown in FIG. 図6Bは、図6Aに示すGaN系半導体を用いたトランジスタからなる半導体装置を上部から見た模式的な平面図である。6B is a schematic plan view of the semiconductor device including the transistor using the GaN-based semiconductor illustrated in FIG. 6A as viewed from above. 図7は、実施の形態に係る半導体装置のアノード電極とソース電極が主電極を共有する状態を表す模式的な断面図である。FIG. 7 is a schematic cross-sectional view illustrating a state where the anode electrode and the source electrode of the semiconductor device according to the embodiment share the main electrode. 図8は、実施の形態の変形例に係る半導体装置のアノード電極とソース電極が主電極を共有する状態を表す模式的な断面図である。FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing a state in which the anode electrode and the source electrode of the semiconductor device according to the modification of the embodiment share the main electrode. 図9は、本発明に係るPN型の半導体装置の模式的な断面図である。FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of a PN type semiconductor device according to the present invention.

以下に、図面を参照して本発明に係る半導体装置の実施の形態を説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各層の厚みと幅との関係、各層の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。   Embodiments of a semiconductor device according to the present invention will be described below with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments. In the description of the drawings, the same or corresponding elements are appropriately denoted by the same reference numerals. Further, the drawings are schematic, and it should be noted that the relationship between the thickness and width of each layer, the ratio of each layer, and the like may differ from the actual situation. Even between the drawings, there are cases in which portions having different dimensional relationships and ratios are included.

(実施の形態)
まず、本発明の実施の形態に係る半導体装置について説明する。図1Aは本実施の形態に係る半導体装置の模式的な断面図である。本実施の形態に係る半導体装置100は、シリコン(Si)からなる基板101の上に、窒化物系半導体化合物半導体層を積層するためのバッファ層102として、AlN層とGaN層とが交互に複数層積層されている。ただし、基板はSiに限らず、サファイア、SiC、ZnO、GaN等であってもよい。
(Embodiment)
First, a semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described. FIG. 1A is a schematic cross-sectional view of the semiconductor device according to the present embodiment. The semiconductor device 100 according to the present embodiment includes a plurality of AlN layers and GaN layers alternately as a buffer layer 102 for stacking a nitride-based semiconductor compound semiconductor layer on a substrate 101 made of silicon (Si). Layers are stacked. However, the substrate is not limited to Si, but may be sapphire, SiC, ZnO, GaN, or the like.

さらに、バッファ層102上に、窒化物系化合物半導体からなる第1化合物半導体層としてGaN層103と、窒化物系化合物半導体からなる第2化合物半導体層としてAlGaN層104とが順次積層されている。AlGaN層104はAlNとGaNの混晶であり、GaN層103よりバンドギャップエネルギーが大きく、その構成比によってバンドギャップや自発分極、ピエゾ分極の特性が変化する。AlGaN層104は、例えばAl0.25Ga0.75Nの単層である。ただし、第2化合物半導体層としてのAlGaN層はAlGaN単層に限らず、AlN層とGaN層とを複数層交互に積層させた疑似混晶層であっても良い。その場合は、疑似混晶層中に2DEGが発生しない程度にAlN層とGaN層との厚さを調整してもよい。 Further, a GaN layer 103 as a first compound semiconductor layer made of a nitride compound semiconductor and an AlGaN layer 104 as a second compound semiconductor layer made of a nitride compound semiconductor are sequentially stacked on the buffer layer 102. The AlGaN layer 104 is a mixed crystal of AlN and GaN, and has a larger band gap energy than the GaN layer 103, and the characteristics of the band gap, spontaneous polarization, and piezoelectric polarization change depending on the composition ratio. The AlGaN layer 104 is a single layer of, for example, Al 0.25 Ga 0.75 N. However, the AlGaN layer as the second compound semiconductor layer is not limited to an AlGaN single layer, and may be a pseudo mixed crystal layer in which a plurality of AlN layers and GaN layers are alternately stacked. In that case, the thickness of the AlN layer and the GaN layer may be adjusted to such an extent that 2DEG is not generated in the pseudo mixed crystal layer.

GaN層103のAlGaN層104との界面には、AlGaN層104のAl組成比と厚さとを制御することによってその濃度が制御された2DEG層103aが形成されている。この2DEG層103aが電子を流す通路となる。この2DEG層103aは、電子の不純物散乱が小さいため、高移動度で低抵抗の電気伝導層となり、AlGaN層104上に形成された電極間の電流経路を提供する。   At the interface between the GaN layer 103 and the AlGaN layer 104, a 2DEG layer 103 a whose concentration is controlled by controlling the Al composition ratio and thickness of the AlGaN layer 104 is formed. The 2DEG layer 103a serves as a passage through which electrons flow. Since the 2DEG layer 103 a has low electron impurity scattering, it becomes a high-mobility, low-resistance electrically conductive layer, and provides a current path between electrodes formed on the AlGaN layer 104.

そして、AlGaN層104上には、SBDであるダイオードD1を構成するためのアノード電極aとカソード電極cとが形成され、HEMTであるトランジスタT1を構成するためのソース電極sとドレイン電極dとゲート電極gとが形成されている。また、ダイオードD1およびトランジスタT1は、ダイオードD1のアノード電極aと、トランジスタT1のソース電極sとで構成される1つの主電極E1を共有し、さらに、ダイオードD1およびトランジスタT1は、ダイオードD1のカソード電極cと、トランジスタT1のドレイン電極dとで構成される1つの主電極E2を共有している。   On the AlGaN layer 104, an anode electrode a and a cathode electrode c for forming a diode D1 that is an SBD are formed, and a source electrode s, a drain electrode d, and a gate for forming a transistor T1 that is a HEMT. An electrode g is formed. Further, the diode D1 and the transistor T1 share one main electrode E1 constituted by the anode electrode a of the diode D1 and the source electrode s of the transistor T1, and further, the diode D1 and the transistor T1 are the cathode of the diode D1. One main electrode E2 constituted by the electrode c and the drain electrode d of the transistor T1 is shared.

2DEG層分離領域105は、ダイオードD1のアノード電極aとトランジスタT1のソース電極sとが共有する主電極E1の下部に形成され、2DEG層103aを、主電極E1をアノード電極aとして用いるダイオードD1側の2DEG層103aと、主電極E1をソース電極sとして用いるトランジスタT1側の2DEG層103aとに分離している。この時 、2DEG層分離領域105は、主電極E1の直下の領域にて、2DEG層103aを2つの領域に電気的に絶縁するように形成すればよい。   The 2DEG layer isolation region 105 is formed below the main electrode E1 shared by the anode electrode a of the diode D1 and the source electrode s of the transistor T1, and the 2DEG layer 103a is used on the diode D1 side using the main electrode E1 as the anode electrode a. The 2DEG layer 103a and the 2DEG layer 103a on the transistor T1 side using the main electrode E1 as the source electrode s are separated. At this time, the 2DEG layer isolation region 105 may be formed in a region immediately below the main electrode E1 so as to electrically insulate the 2DEG layer 103a into two regions.

ここで、トランジスタT1がオン状態で、トランジスタT1に正方向の電圧が印加された場合、ソース電極sからトランジスタT1内の2DEG層103aを経由し、ドレイン電極dへと導通する。一方で、トランジスタT1がオフ状態で、トランジスタT1に正方向の電圧が印加された場合、ゲート電極dの下部において2DEG層103aが空乏化して導通が妨げられるため、トランジスタT1内において、ソース電極sからドレイン電極dへの導通は妨げられる。しかしながら、2DEG層分離領域105が形成されていない場合、ソース電極sから主電極E1を共有するダイオードD1の2DEG層103aを経由し、ダイオードD1を挟んで隣り合う主電極E2に導通してしまうため、大きなリーク電流を生じることとなる。このようなリーク電流を防ぐため、2DEG層分離領域105が形成されている。したがって、2DEG層分離領域105は、ダイオードD1のカソード電極cと、トランジスタT1のソース電極sとの間の電流経路を遮断すればよい。図1Aに示すような、ソース電極sとアノード電極aとに接する位置に限られず、例えば、アノード電極aのみに接する位置に形成されても良い。   Here, when the transistor T1 is in the ON state and a positive voltage is applied to the transistor T1, the transistor T1 conducts from the source electrode s through the 2DEG layer 103a in the transistor T1 to the drain electrode d. On the other hand, when the transistor T1 is in the off state and a positive voltage is applied to the transistor T1, the 2DEG layer 103a is depleted below the gate electrode d to prevent conduction, so that the source electrode s in the transistor T1. To the drain electrode d is prevented. However, when the 2DEG layer isolation region 105 is not formed, the source electrode s is electrically connected to the adjacent main electrode E2 via the 2DEG layer 103a of the diode D1 sharing the main electrode E1 with the diode D1 interposed therebetween. As a result, a large leakage current is generated. In order to prevent such a leakage current, the 2DEG layer isolation region 105 is formed. Therefore, the 2DEG layer isolation region 105 may block the current path between the cathode electrode c of the diode D1 and the source electrode s of the transistor T1. As shown in FIG. 1A, the position is not limited to the position in contact with the source electrode s and the anode electrode a, and may be formed in the position in contact with only the anode electrode a, for example.

つぎに、図1Bは、図1Aに示す半導体装置を上部から見た模式的な平面図である。図1Bに示すように、本実施の形態に係る半導体装置100において、2DEG層103a上に、ダイオードD1のアノード電極aとトランジスタT1のソース電極sとが共有する主電極E1と、ダイオードD1のカソード電極cとトランジスタT1のドレイン電極dとが共有する主電極E2と、トランジスタT1のゲート電極gとが同一平面上に形成される。そして、各主電極は、細長いフィンガー形状となり、外部へ電流を取り出すために、それぞれアノード・ソース電極パッド111とカソード・ドレイン電極パッド112とゲートパッド電極113とに接続されている。これによって、半導体装置100は、ダイオードD1とトランジスタT1とが交互に形成された構造となる。また、半導体装置100の装置幅はW1、フィンガー形状の主電極であるフィンガー電極の長さはL1である。   Next, FIG. 1B is a schematic plan view of the semiconductor device shown in FIG. 1A as viewed from above. As shown in FIG. 1B, in the semiconductor device 100 according to the present embodiment, on the 2DEG layer 103a, the main electrode E1 shared by the anode electrode a of the diode D1 and the source electrode s of the transistor T1, and the cathode of the diode D1 The main electrode E2 shared by the electrode c and the drain electrode d of the transistor T1 and the gate electrode g of the transistor T1 are formed on the same plane. Each main electrode has an elongated finger shape, and is connected to the anode / source electrode pad 111, the cathode / drain electrode pad 112, and the gate pad electrode 113, respectively, in order to extract a current to the outside. Thereby, the semiconductor device 100 has a structure in which the diodes D1 and the transistors T1 are alternately formed. The device width of the semiconductor device 100 is W1, and the length of the finger electrode that is the finger-shaped main electrode is L1.

図1Bにおいて、ダイオードD1とトランジスタT1とが交互に形成されていることがわかる。さらに、ダイオードD1とトランジスタT1とが、主電極E1およびE2を共有している。ここで、トランジスタT1は、紙面下側から上側に電流を流す方向が正方向であり、ダイオードD1は、紙面上側から下側へ電流を流す方向が正方向であり、ともに逆方向の電流は流さない構造である。このため、ゲートがオン状態でトランジスタT1に正方向の電圧を印加すると、紙面下側のソース電極sから、紙面上側のドレイン電極dへと電流が流れる。このとき、ダイオードD1には逆方向の電圧がかかっていることとなるので、電流は流れない。ここで、ゲートをオフ状態とすると、モーター等のインダクタンスによって、回路にそれまでと逆方向の電圧が生じる。これは、ダイオードD1に対して正方向の電圧となるので、ダイオードD1の紙面上側のアノード電極aから紙面下側のカソード電極cへと電流が流れる。一方、トランジスタT1には電流は流れない。したがって、共有された主電極E1およびE2は、トランジスタT1とダイオードD1とに交互に電流を流す。   In FIG. 1B, it can be seen that the diodes D1 and the transistors T1 are alternately formed. Furthermore, the diode D1 and the transistor T1 share the main electrodes E1 and E2. Here, the transistor T1 has a positive direction in which a current flows from the lower side to the upper side in the drawing, and the diode D1 has a positive direction in which a current flows from the upper side to the lower side in the drawing. There is no structure. Therefore, when a positive voltage is applied to the transistor T1 with the gate turned on, a current flows from the source electrode s on the lower side of the paper to the drain electrode d on the upper side of the paper. At this time, since a reverse voltage is applied to the diode D1, no current flows. Here, when the gate is turned off, a voltage in the reverse direction is generated in the circuit by the inductance of the motor or the like. Since this is a positive voltage with respect to the diode D1, a current flows from the anode electrode a on the upper side of the diode D1 to the cathode electrode c on the lower side of the paper. On the other hand, no current flows through the transistor T1. Therefore, the shared main electrodes E1 and E2 alternately pass current through the transistor T1 and the diode D1.

つぎに、本実施の形態に係る半導体装置100を構成するダイオードD1とトランジスタT1とについて説明する。まず、ダイオードD1はSBDであって、AlGaN層104上に、主電極として、アノード電極aと、カソード電極cとが形成されている。アノード電極aはAlGaN層104とショットキー接触して、電子のトンネル電流によって2DEG層103aと電気的に接続している。カソード電極cはAlGaN層104とオーミック接触している。   Next, the diode D1 and the transistor T1 constituting the semiconductor device 100 according to the present embodiment will be described. First, the diode D1 is an SBD, and an anode electrode a and a cathode electrode c are formed on the AlGaN layer 104 as main electrodes. The anode electrode a is in Schottky contact with the AlGaN layer 104 and is electrically connected to the 2DEG layer 103a by an electron tunneling current. The cathode electrode c is in ohmic contact with the AlGaN layer 104.

ここで、カソード電極c側に正のバイアス電圧を印加すると、アノード電極a側は逆バイアス状態となり、アノード電極aの直下の領域の2DEG層103aが空乏化し、電圧に対し高耐圧を維持する。一方、アノード電極a側に正のバイアス電圧を印加すると、アノード電極a側から、電子が2DEG層103aへとトンネルし、大きな電流が流れる。これによって、ダイオードD1は、整流特性をもったダイオードとして機能する。また、ダイオードD1は、2DEG層103aの抵抗が低いことと併せて、GaN系材料のバンドギャップが広いことから、絶縁電界強度がシリコンよりも一桁以上大きく、高耐圧を実現できるため、パワーデバイスへの応用に適する。   Here, when a positive bias voltage is applied to the cathode electrode c side, the anode electrode a side is in a reverse bias state, the 2DEG layer 103a in the region immediately below the anode electrode a is depleted, and a high breakdown voltage is maintained with respect to the voltage. On the other hand, when a positive bias voltage is applied to the anode electrode a side, electrons tunnel from the anode electrode a side to the 2DEG layer 103a, and a large current flows. As a result, the diode D1 functions as a diode having a rectifying characteristic. In addition, since the diode D1 has a low band resistance of the 2DEG layer 103a and a wide band gap of the GaN-based material, the insulation electric field strength is one digit or more larger than that of silicon, and a high breakdown voltage can be realized. Suitable for application to.

つぎに、トランジスタT1はHEMTであって、AlGaN層104上に、主電極として、ソース電極sと、ゲート電極gと、ドレイン電極dとが形成されている。このようなGaN系のHEMTは、高耐圧特性と低オン抵抗特性を有するので、高耐圧トランジスタとして好適である。特に、シリコン基板を用いたGaN−HEMTを用いると、ウエハの大口径化が比較的容易に実現され 、かつ、より安価にHEMTを準備することができる。このようなHEMTとして、最近ではノーマリオフ型の構造を採用したデバイスもあるが、このトランジスタT1は一般的なHEMTであり、しきい値が−3〜−10V程度のノーマリオンデバイスである。   Next, the transistor T1 is a HEMT, and a source electrode s, a gate electrode g, and a drain electrode d are formed on the AlGaN layer 104 as main electrodes. Such a GaN-based HEMT is suitable as a high breakdown voltage transistor because it has a high breakdown voltage characteristic and a low on-resistance characteristic. In particular, when a GaN-HEMT using a silicon substrate is used, the wafer diameter can be relatively easily increased, and the HEMT can be prepared at a lower cost. Recently, there is a device that employs a normally-off type structure as such a HEMT. However, the transistor T1 is a general HEMT and is a normally-on device having a threshold value of about −3 to −10V.

つぎに、本実施の形態に係る半導体装置100の動作について、半導体素子100の動作と、図4に示した従来技術に係る半導体装置1000の動作とを対比しながら説明する。図2は、インバータ回路を構成する図4に示す半導体装置と本実施の形態に係る半導体装置とに流れる電流の時間変化を説明する図である。まず、半導体装置1000に対して電流を入力し、各主電極に流れる電流がIであるとする。このとき、半導体装置1000に入力された電流は、まずオン状態にあるトランジスタT2に流入し、トランジスタT2の各主電極に流れる電流の時間変化は、図2(a)となる。図6Bからわかるように、時刻0〜tにおいて、トランジスタT2の各主電極は、各主電極を共有する、紙面上下方向の2つのトランジスタT2に電流を供給する。 Next, the operation of the semiconductor device 100 according to the present embodiment will be described by comparing the operation of the semiconductor element 100 and the operation of the semiconductor device 1000 according to the related art shown in FIG. FIG. 2 is a diagram for explaining the time change of the current flowing through the semiconductor device shown in FIG. 4 constituting the inverter circuit and the semiconductor device according to the present embodiment. First, it is assumed that a current is input to the semiconductor device 1000 and the current flowing through each main electrode is I 0 . At this time, the current input to the semiconductor device 1000 first flows into the transistor T2 in the on state, and the time change of the current flowing through each main electrode of the transistor T2 is as shown in FIG. As can be seen from Figure 6B, at time 0 to t 1, the main electrodes of the transistors T2 share the respective main electrodes, for supplying a current to the two transistors in the up-down direction T2.

つぎに、時刻tにおいて、トランジスタT2がオフ状態になると、ダイオードD2に電流が流れる。このとき、ダイオードD2の各主電極にはIの電流が流れ、ダイオードD2の各主電極に流れる電流の時間変化は、図2(b)となる。図5Bからわかるように、時刻t〜tにおいて、ダイオードD2の各主電極は、各主電極を共有する、紙面上下方向の2つのダイオードD2に電流を供給する。このように、半導体装置1000は、入力された電流によってダイオードD2の各主電極とトランジスタT2の各主電極とにIの電流を交互に流す。 Next, at time t 1, when the transistor T2 is turned off, current flows through the diode D2. At this time, a current of I 0 flows through each main electrode of the diode D2, and the time change of the current flowing through each main electrode of the diode D2 is as shown in FIG. As it can be seen from Figure 5B, at time t 1 ~t 2, each main electrode of the diode D2 share the respective main electrodes, for supplying a current to up and down direction of the two diodes D2. As described above, the semiconductor device 1000 causes the current of I 0 to alternately flow through each main electrode of the diode D2 and each main electrode of the transistor T2 by the input current.

一方、半導体装置100に対して同等の電流を入力すると、図1Bからわかるように、時刻0〜tにおいて、半導体装置100の各主電極は、各主電極が接する1つのトランジスタT1に電流を供給すればよく、理想的には半導体装置1000の各主電極に比べ、半分の電流であるI/2を流せばよいこととなる。さらに、時刻t〜tにおいても、半導体装置100の各主電極は、各主電極が接する1つのダイオードD1に電流を供給すればよく、各主電極にはI/2の電流が流れる。したがって、図2(c)に示すように、半導体装置100の各主電極に流れる電流はI/2となり、流れる電流は時間的に平準化され、各主電極からダイオードD1とトランジスタT1とに交互に電流が供給される。これによって、各主電極に流れる電流が半分となるから、電流に比例する電流密度も半分となる。 On the other hand, if you enter the equivalent of a current to the semiconductor device 100, as can be seen from Figure 1B, at time 0 to t 1, the main electrodes of the semiconductor device 100, a current in one transistor T1 to the main electrode in contact with it may be supplied, ideally compared to the main electrodes of the semiconductor device 1000, so that the may be allowed to flow I 0/2 which is half the current. Further, at times t 1 to t 2 , each main electrode of the semiconductor device 100 only needs to supply a current to one diode D1 in contact with each main electrode, and a current of I 0/2 flows through each main electrode. . Accordingly, as shown in FIG. 2 (c), the current flowing in each of the main electrodes of the semiconductor device 100 is I 0/2, and the current is temporally leveling flowing in the diode D1 and the transistor T1 from the main electrodes Alternating current is supplied. As a result, the current flowing through each main electrode is halved, and the current density proportional to the current is also halved.

換言すると本発明は、インバータ回路や、電源回路等のスイッチング回路 において、ダイオードとトランジスタとに、交互に電流が流れることに着目し、ダイオードとトランジスタとの主電極を共有させることで各主電極に流れる電流を時間的に平準化し、半導体装置の特性を改善したものである。   In other words, the present invention focuses on the fact that current flows alternately between the diode and the transistor in a switching circuit such as an inverter circuit or a power supply circuit, and by sharing the main electrode between the diode and the transistor, each main electrode is shared. The flowing current is leveled over time to improve the characteristics of the semiconductor device.

以上のように、本実施の形態に係る半導体装置100は、主電極内の電流密度が低いダイオードとトランジスタとを備える半導体装置である。   As described above, the semiconductor device 100 according to the present embodiment is a semiconductor device including a diode and a transistor having a low current density in the main electrode.

ここで、主電極の電流密度が高くなると、長期信頼性や装置の直列抵抗に直接影響を及ぼす場合があり、好ましくない。したがって、本実施の形態に係る半導体装置100によって、主電極の電流密度を低くすると、長期信頼性や装置の直列抵抗を改善した半導体装置を実現することができる。   Here, when the current density of the main electrode is increased, it may directly affect the long-term reliability and the series resistance of the device, which is not preferable. Therefore, when the current density of the main electrode is lowered by the semiconductor device 100 according to the present embodiment, a semiconductor device with improved long-term reliability and series resistance of the device can be realized.

さらに、半導体装置は正方形に近いパッケージに組み込まれるのが一般的であり、細長い形状の装置は、このようなパッケージに組み込もうとすると、パッケージが大型化するとともに、空きスペースが大きくなり、パッケージの面積効率が悪いという問題があったが、本発明によって、以下のとおりこの課題を解決することができる。   Furthermore, semiconductor devices are generally incorporated into packages that are close to square, and elongated devices are likely to become large in size and free space increases when they are incorporated into such packages. However, according to the present invention, this problem can be solved as follows.

まず、主電極が図1B、図5B、図6Bに示すような、細長いフィンガー形状のフィンガー電極である場合において、例えば、フィンガー電極がアルミを用い厚さ5μm、幅10μm程度であり、入力する電流が600V、10A程度であるとする。このとき、従来技術に係る半導体装置1000においては、フィンガー電極部分の電気抵抗による電圧降下の影響やエレクトロマイグレーション等の制約によって、図5Bおよび図6Bに示すフィンガー電極の長さであるフィンガー長L2およびL3を、1mm程度に制限しなければならない。このとき、フィンガー電極1本当りの電流密度を高くしすぎないために、フィンガー電極の本数を考慮して半導体装置1000を設計すると、半導体装置1000の装置幅は3mm程度となり、1mm×3mmの細長い形状の装置となってしまう。この半導体装置1000を例えば3mm×3mmのパッケージに組み込もうとすると、パッケージ内の空きスペースが大きく面積効率が悪い。さらに、半導体装置1000が細長い形状となることによって、電極パッドの面積も大きくなってしまう。   First, when the main electrode is an elongated finger-shaped finger electrode as shown in FIGS. 1B, 5B, and 6B, for example, the finger electrode is made of aluminum and has a thickness of about 5 μm and a width of about 10 μm. Is about 600V and 10A. At this time, in the semiconductor device 1000 according to the related art, the finger length L2 which is the length of the finger electrode shown in FIG. 5B and FIG. 6B due to the influence of the voltage drop due to the electrical resistance of the finger electrode portion and the restrictions such as electromigration L3 must be limited to about 1 mm. At this time, if the semiconductor device 1000 is designed in consideration of the number of finger electrodes in order not to make the current density per finger electrode too high, the device width of the semiconductor device 1000 is about 3 mm and is 1 mm × 3 mm long and narrow. It becomes a device of shape. If this semiconductor device 1000 is to be incorporated into, for example, a 3 mm × 3 mm package, the vacant space in the package is large and the area efficiency is poor. Furthermore, since the semiconductor device 1000 has an elongated shape, the area of the electrode pad also increases.

一方で、本実施の形態100に係る半導体装置においては、電流密度を半分とすることができるため、図1Bに示すフィンガー長L1を2mmまで伸ばすことができる。したがって、理想的には半導体装置100を2mm×1.5mmのサイズとし、正方形に近づけることができる。この半導体装置100を例えば2mm×2mmのパッケージに組み込もうとすると、パッケージ内の空きスペースが小さく、面積効率が良い。さらに、半導体装置100が正方形に近いことにより、電極パッドの面積も小さい。   On the other hand, in the semiconductor device according to the present embodiment 100, since the current density can be halved, the finger length L1 shown in FIG. 1B can be extended to 2 mm. Therefore, ideally, the semiconductor device 100 can have a size of 2 mm × 1.5 mm and can be close to a square. If this semiconductor device 100 is to be incorporated into a 2 mm × 2 mm package, for example, the free space in the package is small and the area efficiency is good. Furthermore, since the semiconductor device 100 is nearly square, the area of the electrode pad is small.

さらに、入力する電流を600V、20Aとすると、従来技術に係る半導体装置1000においては、フィンガー長L2およびL3を1mm程度に制限しなければならず、装置幅を6mmとしなければならなかった。したがって、半導体装置1000は1mm×6mmの細長い形状となる。一方で、本実施の形態に係る半導体装置100においては、フィンガー長L1を2mmとし、2mm×3mmの装置とすることができる。このように、入力される電流が大きくなると、装置の形状を正方形に近づける効果が顕著となる。これによって、従来技術において細長い形状であった半導体装置を、本実施の形態に係る半導体装置100においてパッケージしやすい正方形に近い形状とすることができる。   Furthermore, when the input current is 600 V and 20 A, in the semiconductor device 1000 according to the prior art, the finger lengths L2 and L3 have to be limited to about 1 mm, and the device width has to be 6 mm. Therefore, the semiconductor device 1000 has an elongated shape of 1 mm × 6 mm. On the other hand, in the semiconductor device 100 according to the present embodiment, the finger length L1 can be set to 2 mm, and the device can be 2 mm × 3 mm. Thus, when the input current increases, the effect of bringing the shape of the device closer to a square becomes significant. As a result, the semiconductor device having a long and narrow shape in the prior art can be made into a shape close to a square that can be easily packaged in the semiconductor device 100 according to the present embodiment.

つぎに、本実施の形態に係る半導体装置100の製造方法の一例について説明する。本製造方法では、まず、支持基板としてSiからなる基板101上にAlN層とGaN層とを交互に複数層成膜することで、膜厚が例えば2μm 程度のバッファ層102を形成する。続いて、バッファ層102上に、GaN層103を膜厚が例えば1μm程度となるように形成する。なお、バッファ層102中の各薄膜およびGaN層103の成膜には、例えば有機金属気相成長法(MOCVD法)を用いることができる。ただし、これに限定されず、例えばハイドライド気相成長法(HVPE法)や分子線エピタキシー法(MBE法)など、種々の成膜方法を用いてよい。   Next, an example of a method for manufacturing the semiconductor device 100 according to the present embodiment will be described. In this manufacturing method, first, a buffer layer 102 having a thickness of, for example, about 2 μm is formed by alternately forming a plurality of AlN layers and GaN layers on a substrate 101 made of Si as a support substrate. Subsequently, the GaN layer 103 is formed on the buffer layer 102 so as to have a thickness of about 1 μm, for example. For example, a metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD method) can be used for forming each thin film in the buffer layer 102 and the GaN layer 103. However, the present invention is not limited to this, and various film forming methods such as a hydride vapor phase epitaxy method (HVPE method) and a molecular beam epitaxy method (MBE method) may be used.

つぎに、GaN層103上に、Al0.25Ga0.75N膜を成膜することで、膜厚が例えば25nm程度のAlGaN層104を形成する。AlGaN層104の成膜には、GaN層103と同様に、MOCVD法の他、例えばHVPE法やMBE法などの種々の成膜方法を用いることができる。ただし、本実施の形態では、膜中のカーボン(C)濃度が2×1017cm−3程度以上、例えば2.5×1017cm−3程度となるようにAlGaN層104を形成する。アクセプタとしてCを含むAlGaN層104は、例えばMOCVD法を用いる場合、有機金属元素に含まれる炭素(C)によるオートドーピングにより形成することができる。 Next, an Al 0.25 Ga 0.75 N film is formed on the GaN layer 103 to form the AlGaN layer 104 having a thickness of, for example, about 25 nm. For the formation of the AlGaN layer 104, various film formation methods such as the HVPE method and the MBE method can be used in addition to the MOCVD method, as with the GaN layer 103. However, in this embodiment, the AlGaN layer 104 is formed so that the carbon (C) concentration in the film is about 2 × 10 17 cm −3 or more, for example, about 2.5 × 10 17 cm −3 . For example, when the MOCVD method is used, the AlGaN layer 104 containing C as an acceptor can be formed by autodoping with carbon (C) contained in an organometallic element.

以上のように基板101上に、バッファ層102を挟んでGaN層103とAlGaN層104とからなるSBDおよびHEMT構造の積層膜を形成する。つぎに、フォトレジストをエッチングマスクとして用いるフォトリソグラフィ工程によって、2DEG層分離領域105を形成するための溝を形成する。この溝は2DEG層を分離するため、少なくともGaN層103とAlGaN層104の界面より、深くする必要がある。そして、この溝に絶縁体として、例えば酸化シリコン(SiO)または窒化シリコン(SiN) を堆積することで2DEG層分離領域105を形成する。ただし、このような溝形成や、溝への絶縁体の埋め込みによらず、フッ素(F)またはホウ素(B)を2DEG層に直接イオン注入することによって、イオン注入された領域の電気抵抗を極めて高い状態とし、2DEG層分離領域105とすることもできる。 As described above, the SBD and HEMT structure laminated film including the GaN layer 103 and the AlGaN layer 104 is formed on the substrate 101 with the buffer layer 102 interposed therebetween. Next, a groove for forming the 2DEG layer isolation region 105 is formed by a photolithography process using a photoresist as an etching mask. This groove needs to be deeper than at least the interface between the GaN layer 103 and the AlGaN layer 104 in order to separate the 2DEG layer. Then, a 2DEG layer isolation region 105 is formed by depositing, for example, silicon oxide (SiO 2 ) or silicon nitride (SiN) as an insulator in the groove. However, by directly implanting fluorine (F) or boron (B) into the 2DEG layer without forming such a trench or embedding an insulator in the trench, the electrical resistance of the ion-implanted region is extremely reduced. The 2DEG layer separation region 105 can be made high.

続いて、AlGaN層104上に、ダイオードD1のアノード電極aとカソード電極cと、トランジスタT1のソース電極sとドレイン電極dとゲート電極gとを形成する。まず、ダイオードD1のカソード電極cおよびトランジスタT1のソース電極sおよびドレイン電極dは、AlGaN層104とオーミック接触するため、例えばTi/Alの材料をスパッタにより形成し、さらに、パターニングし、300〜600℃にて熱処理を行う。その後に、ダイオードD1のアノード電極aおよびトランジスタT1のゲート電極gは、AlGaN層104とショットキー接触するため、Ni等の材料をスパッタや蒸着によって形成する。ショットキー接触界面を安定化させるために、300℃程度の熱処理を行っても良い。つぎに、図7に示すように、アノード電極aとソース電極sとを隣接させた両電極上に、例えばAl等からなる配線電極wをスパッタにて形成し、パターニングする。その際、配線電極wは、アノード電極aとソース電極sとをまたがるように形成し、両電極が主電極E1を電気的に共有した状態とする。これによって、ダイオードD1のアノード電極aと、トランジスタT1のソース電極sとが、主電極E1を共有する。また、ダイオードD1のカソード電極cと、トランジスタT1のドレイン電極dとは、一体として形成し、主電極E2とする。   Subsequently, the anode electrode a and the cathode electrode c of the diode D1, the source electrode s, the drain electrode d, and the gate electrode g of the transistor T1 are formed on the AlGaN layer 104. First, since the cathode electrode c of the diode D1 and the source electrode s and drain electrode d of the transistor T1 are in ohmic contact with the AlGaN layer 104, for example, a Ti / Al material is formed by sputtering and further patterned, and 300 to 600 is formed. Heat treatment is performed at ℃. Thereafter, since the anode electrode a of the diode D1 and the gate electrode g of the transistor T1 are in Schottky contact with the AlGaN layer 104, a material such as Ni is formed by sputtering or vapor deposition. In order to stabilize the Schottky contact interface, heat treatment at about 300 ° C. may be performed. Next, as shown in FIG. 7, a wiring electrode w made of, for example, Al or the like is formed by sputtering on both electrodes adjacent to the anode electrode a and the source electrode s and patterned. At this time, the wiring electrode w is formed so as to straddle the anode electrode a and the source electrode s, and both the electrodes are in a state in which the main electrode E1 is electrically shared. As a result, the anode electrode a of the diode D1 and the source electrode s of the transistor T1 share the main electrode E1. Further, the cathode electrode c of the diode D1 and the drain electrode d of the transistor T1 are integrally formed as a main electrode E2.

ここで、ダイオードD1のアノード電極aおよびトランジスタT1のゲート電極gは、AlGaN層104とショットキー接触する電極であり、例えば下層から順に白金(Pt)とAuとが積層された積層金属膜(以下、この積層金属膜をPt/Au膜という)を用いて形成される。ただし、本発明はこれに限定されず、例えばニッケル(Ni)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、タングステン(W)、金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、タンタル(Ta)、アルミニウム(Al)のうち少なくとも1つを含む金属膜、または、Ni、Pt、Pd、W、Au、Ag、Cu、Ta、Alのうち少なくとも1つを含む合金よりなる金属膜のうち、少なくとも1つを含む金属膜など、上記条件を満たす金属材料であれば如何なるものを用いても良い。   Here, the anode electrode a of the diode D1 and the gate electrode g of the transistor T1 are electrodes that are in Schottky contact with the AlGaN layer 104. The laminated metal film is formed using a Pt / Au film). However, the present invention is not limited to this. For example, nickel (Ni), platinum (Pt), palladium (Pd), tungsten (W), gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), tantalum (Ta ), A metal film containing at least one of aluminum (Al), or a metal film made of an alloy containing at least one of Ni, Pt, Pd, W, Au, Ag, Cu, Ta, and Al, Any metal material that satisfies the above conditions, such as a metal film including at least one, may be used.

また、ダイオードD1のカソード電極cおよびトランジスタT1のソース電極sおよびドレイン電極dは、AlGaN層104とオーミック接触する、または、接触抵抗が十分に小さい状態で接触する電極であり、例えば下層から順にチタニウム(Ti)とアルミニウム(Al)と金(Au)とが積層された積層金属膜(以下、この積層金属膜をTi/Al/Au膜という)を用いて形成される。ただし、本発明ではこれに限定されず、例えばチタニウム(Ti)、アルミニウム(Al)、シリコン(Si)、鉛(Pb)、クロム(Cr)、インジウム(In)、タンタル(Ta)のうち少なくとも1つを含む金属膜、Ti、Al、Si、Pb、Cr、In、Taのうち少なくとも1つを含む合金よりなる金属膜、または、Ti、Al、Si、Taのうち少なくとも1つを含むシリサイド合金よりなる金属膜のうち、少なくとも1つを含む金属膜など、上記条件を満たす金属材料であれば如何なるものを用いてもよい。   In addition, the cathode electrode c of the diode D1 and the source electrode s and drain electrode d of the transistor T1 are electrodes that are in ohmic contact with the AlGaN layer 104 or in a state where the contact resistance is sufficiently small. It is formed using a laminated metal film in which (Ti), aluminum (Al), and gold (Au) are laminated (hereinafter, this laminated metal film is referred to as a Ti / Al / Au film). However, the present invention is not limited to this. For example, at least one of titanium (Ti), aluminum (Al), silicon (Si), lead (Pb), chromium (Cr), indium (In), and tantalum (Ta). A metal film made of an alloy containing at least one of Ti, Al, Si, Pb, Cr, In, Ta, or a silicide alloy containing at least one of Ti, Al, Si, Ta Any metal film satisfying the above conditions, such as a metal film including at least one of the metal films formed, may be used.

以上、説明したように、本実施の形態によれば、主電極内の電流密度が低いダイオードとトランジスタとを備える半導体装置を提供することができる。   As described above, according to the present embodiment, a semiconductor device including a diode and a transistor having a low current density in the main electrode can be provided.

なお、ダイオードD1のアノード電極aとトランジスタD1のソース電極sとが共有する主電極E1は、以下のような変形例によっても実現することができる。
(変形例1)
図8(a)に示すように、ソース電極sを形成した後に、ソース電極sの一部をアノード電極aが覆うようにアノード電極aを形成し、さらに、その上にソース電極sおよびアノード電極aの両方と接するように配線電極wを形成する。これによって、ダイオードD1のアノード電極aと、トランジスタT1のソース電極sとが、主電極E1を共有する。
(変形例2)
図8(b)に示すように、ソース電極sとアノード電極aとを離間した状態で形成し、、その後、両電極上に、ソース電極sおよびアノード電極aの両方と接するように配線電極wを形成する。これによって、ダイオードD1のアノード電極aと、トランジスタT1のソース電極sとが、主電極E1を共有する。
The main electrode E1 shared by the anode electrode a of the diode D1 and the source electrode s of the transistor D1 can also be realized by the following modification.
(Modification 1)
As shown in FIG. 8A, after forming the source electrode s, the anode electrode a is formed so that the anode electrode a covers a part of the source electrode s, and the source electrode s and the anode electrode are further formed thereon. A wiring electrode w is formed so as to be in contact with both a. As a result, the anode electrode a of the diode D1 and the source electrode s of the transistor T1 share the main electrode E1.
(Modification 2)
As shown in FIG. 8B, the source electrode s and the anode electrode a are formed apart from each other, and then the wiring electrode w is in contact with both the source electrode s and the anode electrode a on both electrodes. Form. As a result, the anode electrode a of the diode D1 and the source electrode s of the transistor T1 share the main electrode E1.

なお、上記実施の形態では、本発明による半導体装置に係る半導体装置として、2DEG層103aを有する横型の半導体装置100を例に挙げたが、本発明はこれに限定されず、図9に示すようなPN型の半導体装置400としてもよい。半導体装置400は以下の構成を有する。まず、基板(図示しない)上に形成された、p型半導体であるp−GaNまたは不純物をドーピングしていないi−GaNからなる下地層401の上に、p−GaN層402が形成されている。そして、p−GaN層402の一部領域には、n型ドーパントの一種であるSiをイオン注入することによってn型の半導体とされた、例えばSiの濃度が1017cm−3程度であるn−GaN領域403が形成されている。さらに、n−GaN領域403の一部には、Siが高濃度に注入された、例えばSiの濃度が1019〜1020cm−3程度であるn−GaNからなるコンタクト領域404が形成されている。また、半導体装置400には、上記の実施の形態に係る半導体装置100の2DEG層分離領域105と同様に、エッチングやイオン注入によって、電流遮断領域405が形成されている。電流遮断領域405は、電流遮断領域405が接しているダイオードD3とトランジスタT3との間の電流経路を遮断するため、少なくとも下地層401とp−GaN層402との界面より深く形成されている必要がある。 In the above embodiment, the lateral semiconductor device 100 having the 2DEG layer 103a is taken as an example of the semiconductor device according to the semiconductor device of the present invention. However, the present invention is not limited to this, and as shown in FIG. A PN type semiconductor device 400 may be used. The semiconductor device 400 has the following configuration. First, a p-GaN layer 402 is formed on a base layer 401 made of p-GaN which is a p-type semiconductor or i-GaN which is not doped with impurities, which is formed on a substrate (not shown). . Then, some regions of the p-GaN layer 402, the Si which is a kind of n-type dopant is an n-type semiconductor by ion implantation, for example, the concentration of Si is about 10 17 cm -3 n A -GaN region 403 is formed. Further, in a part of the n-GaN region 403, a contact region 404 made of n + -GaN in which Si is implanted at a high concentration, for example, the Si concentration is about 10 19 to 10 20 cm −3 is formed. ing. Further, in the semiconductor device 400, a current blocking region 405 is formed by etching or ion implantation, like the 2DEG layer isolation region 105 of the semiconductor device 100 according to the above embodiment. The current blocking region 405 needs to be formed deeper than at least the interface between the base layer 401 and the p-GaN layer 402 in order to block the current path between the diode D3 and the transistor T3 with which the current blocking region 405 is in contact. There is.

また、トランジスタT3のゲート領域には、ゲート絶縁膜として、SiO層406が形成されている。さらに、半導体装置400には、ダイオードD3のアノード電極aとカソード電極cと、トランジスタT3のソース電極sとドレイン電極dとゲート電極gとが形成されている。ここで、ダイオードD3およびトランジスタT3は、ダイオードD3のアノード電極aと、トランジスタT3のソース電極sとで構成される1つの主電極E3を共有し、さらに、ダイオードD3およびトランジスタT3は、ダイオードD3のカソード電極cと、トランジスタT3のドレイン電極dとで構成される1つの主電極E4を共有している。したがって、このような半導体装置400によっても、本発明の効果を得ることができる。 In the gate region of the transistor T3, a SiO 2 layer 406 is formed as a gate insulating film. Further, in the semiconductor device 400, an anode electrode a and a cathode electrode c of the diode D3, a source electrode s, a drain electrode d, and a gate electrode g of the transistor T3 are formed. Here, the diode D3 and the transistor T3 share one main electrode E3 composed of the anode electrode a of the diode D3 and the source electrode s of the transistor T3, and further, the diode D3 and the transistor T3 are connected to the diode D3. One main electrode E4 composed of the cathode electrode c and the drain electrode d of the transistor T3 is shared. Therefore, the effect of the present invention can also be obtained by such a semiconductor device 400.

また、上記実施の形態では、本発明による半導体装置に係るダイオードとして、SBDを例に挙げたが、本発明はこれに限定されず、PN型ダイオードなどの、種々のダイオードに対して本発明を適用することが可能である。   In the above embodiment, the SBD is exemplified as the diode of the semiconductor device according to the present invention. However, the present invention is not limited to this, and the present invention is applied to various diodes such as a PN diode. It is possible to apply.

また、上記実施の形態では、本発明による半導体装置に係るトランジスタとして、FETの一種であるHEMTを例に挙げたが、本発明はこれに限定されず、MISFET(Metal Insulator Semiconductor FET)やMOSFET(Metal Oxide Semiconductor FET)やMESFETなどの、種々のトランジスタに対して本発明を適用することが可能である。   In the above-described embodiment, the HEMT which is a kind of FET is given as an example of the transistor of the semiconductor device according to the present invention. However, the present invention is not limited to this, and the MISFET (Metal Insulator Semiconductor FET) or MOSFET ( The present invention can be applied to various transistors such as Metal Oxide Semiconductor FET) and MESFET.

また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。   Further, the present invention is not limited by the above embodiment. What was comprised combining each component mentioned above suitably is also contained in this invention. Further effects and modifications can be easily derived by those skilled in the art. Therefore, the broader aspect of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made.

100、200、300、400、1000 半導体装置
101、201、301 基板
102、202、302 バッファ層
103、203、303 GaN層
103a、203a、303a 2DEG層
104、204、304 AlGaN層
105 2DEG層分離領域
111 アノード・ソース電極パッド
112 カソード・ドレイン電極パッド
113、313 ゲート電極パッド
211 アノード電極パッド
212 カソード電極パッド
311 ソース電極パッド
312 ドレイン電極パッド
401 下地層
402 p−GaN層
403 n−GaN領域
404 コンタクト領域
405 電流遮断領域
406 SiO
D、D1、D2、D3 ダイオード
E1、E2、E3、E4 主電極
L1、L2、L3 フィンガー長
M モーター
P 電源
T、T1、T2、T3 トランジスタ
W1、W2、W3 装置幅
a アノード電極
c カソード電極
d ドレイン電極
g ゲート電極
s ソース電極
w 配線電極
100, 200, 300, 400, 1000 Semiconductor device 101, 201, 301 Substrate 102, 202, 302 Buffer layer 103, 203, 303 GaN layer 103a, 203a, 303a 2DEG layer 104, 204, 304 AlGaN layer 105 2DEG layer isolation region 111 Anode / source electrode pad 112 Cathode / drain electrode pad 113, 313 Gate electrode pad 211 Anode electrode pad 212 Cathode electrode pad 311 Source electrode pad 312 Drain electrode pad 401 Underlayer 402 p-GaN layer 403 n-GaN region 404 Contact region 405 current blocking region 406 SiO 2 layer D, D1, D2, D3 diodes E1, E2, E3, E4 main electrode L1, L2, L3 finger length M motor P power T T1, T2, T3 transistors W1, W2, W3 device width a anode electrode c cathode d drain electrode g gate electrode s source electrode w wiring electrode

Claims (7)

モノリシックに、電気的に並列に接続された、ダイオードと、トランジスタとを備え、主電流が主面側を流れる横型の半導体装置であって、
前記ダイオードと前記トランジスタとが主電流を流す主電極を共有し、共有された前記主電極は前記ダイオードと前記トランジスタとに片方ずつ交互に主電流を流すことを特徴とする半導体装置。
A lateral semiconductor device including a diode and a transistor monolithically and electrically connected in parallel, and a main current flows on the main surface side,
The semiconductor device, wherein the diode and the transistor share a main electrode through which a main current flows, and the shared main electrode allows a main current to flow alternately through the diode and the transistor.
前記主電極は、当該半導体装置上部に形成されたフィンガー電極であることを特徴とする請求項1に記載された半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the main electrode is a finger electrode formed on an upper portion of the semiconductor device. 前記ダイオードのアノード電極と前記トランジスタのソース電極が1つの前記主電極を共有し、前記ダイオードのカソード電極と前記トランジスタのドレイン電極が1つの前記主電極を共有することを特徴とする請求項1または2に記載された半導体装置。   The anode electrode of the diode and the source electrode of the transistor share one main electrode, and the cathode electrode of the diode and the drain electrode of the transistor share one main electrode. 2. The semiconductor device described in 2. 前記ダイオードの前記アノード電極と前記トランジスタの前記ソース電極とが共有する前記主電極の下部に電流遮断領域を備え、
前記電流遮断領域は、前記ダイオードのカソード電極と、前記トランジスタのソース電極との間の電流経路を遮断することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載された半導体装置。
A current blocking region under the main electrode shared by the anode electrode of the diode and the source electrode of the transistor;
The semiconductor device according to claim 1, wherein the current blocking region blocks a current path between a cathode electrode of the diode and a source electrode of the transistor.
前記ダイオードおよび前記トランジスタは、
窒化物系化合物半導体からなる第1化合物半導体層と、
前記第1化合物半導体層上の少なくとも一部に形成され、前記第1化合物半導体層よりもバンドギャップエネルギーが大きい窒化物系化合物半導体からなる第2化合物半導体層と、
を備え、
前記ダイオードおよび前記トランジスタの電気伝導層は、前記第1化合物半導体層と前記第2化合物半導体層との界面付近に形成された2次元電子ガス層であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載された半導体装置。
The diode and the transistor are:
A first compound semiconductor layer made of a nitride compound semiconductor;
A second compound semiconductor layer formed on at least a part of the first compound semiconductor layer and made of a nitride-based compound semiconductor having a band gap energy larger than that of the first compound semiconductor layer;
With
The electrically conductive layer of the diode and the transistor is a two-dimensional electron gas layer formed in the vicinity of an interface between the first compound semiconductor layer and the second compound semiconductor layer. The semiconductor device described in any one.
前記電流遮断領域は、前記2次元電子ガス層を、前記主電極をアノード電極として用いる前記ダイオード側の2次元電子ガス層と、前記主電極をソース電極として用いる前記トランジスタ側の2次元電子ガス層と、に分離する2次元電子ガス層分離領域であることを特徴とする請求項4を引用する請求項5に記載された半導体装置。   The current blocking region includes the two-dimensional electron gas layer, the two-dimensional electron gas layer on the diode side using the main electrode as an anode electrode, and the two-dimensional electron gas layer on the transistor side using the main electrode as a source electrode. 6. The semiconductor device according to claim 5, wherein the semiconductor device is a two-dimensional electron gas layer separation region that is separated into two layers. 前記ダイオードはショットキーバリアダイオードであることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに1つ記載された半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the diode is a Schottky barrier diode.
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