JP6107435B2 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、窒化ガリウム高電子移動度電界効果トランジスタ(以下GaN−HEMTと略す)をサージ破壊から保護する半導体装置及びその製造方法に関する。
外部からゲートパッドを経由してGaN−HEMTに数アンペアのサージ電流が流入すると、ゲート電極直下のGaN系エピタキシャル層の一部又は全体が破壊又は劣化してGaN−HEMTが破壊又は劣化する。そこで、サージ電流を逃がすためにGaN−HEMTに縦型PNダイオードを接続した半導体装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
特開2010−040814号公報
従来の装置ではP型Si基板を縦型PNダイオードのアノードに用いていた。しかし、P型Si基板の不純物濃度の調整は困難なため、ダイオードの降伏電圧の調整が困難であった。
また、従来の装置の縦型PNダイオードではゲート電極からGNDまでの距離が長いため、降伏後のダイオードの直列抵抗が大きい。このため、サージ電流によりダイオードが熱破壊されるという問題があった。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的はサージによる破壊又は劣化を防止し、降伏電圧を調節することができる半導体装置及びその製造方法を得るものである。
本発明に係る半導体装置は、上面と下面を有する半導体基板と、前記半導体基板の前記上面の上に形成された半導体層と、ゲート電極と、ドレイン電極と、ソース電極とを有する電界効果トランジスタと、前記半導体基板の前記上面に形成されたP型拡散層と、前記半導体基板の前記上面に形成され、前記P型拡散層と共に横型ダイオードを構成する第1のN型拡散層と、前記P型拡散層を接地点に接続する第1の接続電極と、前記第1のN型拡散層を前記ゲート電極又は前記ドレイン電極に接続する第2の接続電極と、前記P型拡散層内に形成された第2のN型拡散層とを備え、前記第1のN型拡散層は前記P型拡散層内に形成され、前記第1の接続電極は前記第2のN型拡散層を介して前記P型拡散層に接続されていることを特徴とする。
本発明により、サージによる破壊又は劣化を防止し、降伏電圧を調節することができる。
本発明の実施の形態1に係る半導体装置を示す上面図である。 図1のI−IIに沿った断面図である。 図1のIII−IVに沿った断面図である。 図1のV−VIに沿った断面図である。 本発明の実施の形態1に係るサージ保護素子の電気特性を示す図である。 本発明の実施の形態1に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態1に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態1に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態2に係るサージ保護素子を示す上面図である。 本発明の実施の形態2に係るサージ保護素子を示す断面図である。 本発明の実施の形態2に係るサージ保護素子の電気特性を示す図である。 本発明の実施の形態3に係るサージ保護素子を示す上面図である。 本発明の実施の形態3に係るサージ保護素子を示す断面図である。 本発明の実施の形態4に係るサージ保護素子を示す上面図である。 本発明の実施の形態4に係るサージ保護素子を示す断面図である。 本発明の実施の形態5に係るサージ保護素子を示す上面図である。 本発明の実施の形態5に係るサージ保護素子を示す断面図である。 本発明の実施の形態6に係る半導体装置を示す上面図である。 本発明の実施の形態6に係るサージ保護素子を示す断面図である。 本発明の実施の形態7に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態7に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態7に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態7に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態7に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。
本発明の実施の形態に係る半導体装置について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係る半導体装置を示す上面図である。図2は、図1のI−IIに沿った断面図である。半導体基板1はシリコンカーバイド(SiC)又はシリコン(Si)からなり、窒化ガリウム(GaN)エピ層の支持基板となる。この半導体基板1の上面の上にGaNバッファー層2、アンドープGaNチャネル層3、及びAlGaN電子供給層4が順に形成されている。
GaNバッファー層2はSiC又はSiとGaNとの格子定数の差を緩和する。ゲート電極5、ソース電極6、及びドレイン電極7がAlGaN電子供給層4の上面に設けられている。これらの電極は平面視で櫛型に配置されている。ゲートパッド5aがゲート電極5に接続され、ドレインパッド7aがドレイン電極7に接続されている。これらの構成により電界効果トランジスタ9が形成されている。ここでは電界効果トランジスタ9はGaN−HEMTである。
半導体基板1の下面に裏面電極10が形成され、この裏面電極10はチタン(Ti)、ニッケル(Ni)、金(Au)等からなり、通常は接地(GND)されている。AlGaN電子供給層4とアンドープGaNチャネル層3のヘテロ接合において自発分極とピエゾ分極により高濃度かつ高移動度の2次元電子ガス(2DEG)が得られるため、電界効果トランジスタ9は高電圧高電流での高周波動作が可能となる。
図3は、図1のIII−IVに沿った断面図である。AlGaN電子供給層4上にシリコン酸化膜(SiO)又はシリコン窒化膜(SiN)からなる絶縁膜11を介してゲートパッド5aが形成されている。
図4は、図1のV−VIに沿った断面図である。半導体基板1の上面にP型拡散層12が形成されている。P型拡散層12の中央部にN型拡散層13が形成され、P型拡散層12の外周部にN型拡散層14が形成されている。シリコン酸化膜(SiO)からなる絶縁膜15がP型拡散層12とN型拡散層13とN型拡散層14上に形成されている。P型拡散層12の不純物濃度はN型拡散層13,14よりも低い。
接続電極16が絶縁膜15に設けられたビアを介してP型拡散層12を接地パッド17に接続し、接地パッド17はワイヤ又はビアにより接地点に接続される。接続電極18が、絶縁膜15に設けられたビアを介してN型拡散層13をゲートパッド5aに接続する。
これらのP型拡散層12とN型拡散層13とN型拡散層14は双方向の横型ダイオードを構成する。この横型ダイオードはゲート用のサージ保護素子19である。図5は、本発明の実施の形態1に係るサージ保護素子の電気特性を示す図である。サージ保護素子19は、設定した正又は負の電圧を超える電圧がゲート・ソース間に印加されると降伏する。
続いて上記の半導体装置の製造方法を説明する。図6から図8は、本発明の実施の形態1に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。
まず、図6に示すように、サージ保護素子領域において、半導体基板1の上面にイオン注入法又は拡散法にてP型不純物(ボロン,アルミニウム等)を1015個/cmから1017個/cmの濃度でドープし、800℃から1200℃の高温熱処理にてアニール、ドライブさせることでP型拡散層12を形成する。次に、P型拡散層12にイオン注入法又は拡散法にてN型不純物(ヒ素,リン等)を1018個/cmから1020個/cmの濃度でドープし、800℃から1200℃の高温熱処理にてアニール、ドライブさせることでN型拡散層13とN型拡散層14を形成する。
次に、図7に示すように、半導体基板1の上面全面の上にGaNバッファー層2、アンドープGaNチャネル層3、及びAlGaN電子供給層4を順に有機金属化学気相堆積法(MOCVD法)等で形成する。その後、ゲート電極5等を形成して電界効果トランジスタ9を形成する。
次に、図8に示すように、サージ保護素子領域において、GaNバッファー層2、アンドープGaNチャネル層3、及びAlGaN電子供給層4を除去する。そして、露出した半導体基板1、P型拡散層12、N型拡散層13,14を覆うシリコン酸化膜(SiO)等の絶縁膜15を化学気相堆積法(CVD法)等により形成する。
続いて、サージ保護素子19の動作を説明する。ゲートパッド5aに裏面電極10を基準に正電位を印加した場合、P型拡散層12と接地側のN型拡散層14で構成されるダイオードは順方向接続となるのでP型拡散層12に電流は流れ、ゲート側のN型拡散層13とP型拡散層12で構成されるダイオードは逆方向接続となるので降伏電圧以上では電流は流れない。
サージによりN型拡散層13とP型拡散層12との間にアバランシェ降伏電圧以上の電圧が印加されるとすると急激に降伏電流が流れる。P型拡散層12とN型拡散層14で構成されるダイオードは順方向接続なので、降伏電流はN型拡散層14、接続電極16、接地パッド17を介して接地点に流れる。
なお、高電圧電源(Vdd=20V〜100V)を用いるGaN−HEMTでは高周波動作時のゲート電圧振幅が電源電圧の数倍(2から3倍)となる。そこで、N型拡散層14とP型拡散層12で構成されるダイオードの降伏電圧、N型拡散層13とP型拡散層12で構成されるダイオードの降伏電圧、及び両ダイオードの降伏電圧差は、高周波動作時のゲート電圧振幅より広い電圧幅に設定して高周波動作時には両ダイオードとも降伏しないようにする。さらに、これらの電圧をドレイン−ゲート間降伏電圧とゲート−ソース間降伏電圧より低く設定することで、ゲートにサージ流入時には電界効果トランジスタ9よりダイオードが先に降伏する。
本実施の形態のサージ保護素子19は電界効果トランジスタ9のゲートと接地点の間に接続された双方向ダイオードとして機能する。このため、外部からゲートにサージ電流が流入しても電界効果トランジスタ9の能動領域を放電や発熱による破壊や劣化から防止することができる。
また、N型拡散層13,14の深さ、P型拡散層12の不純物濃度、N型拡散層13とN型拡散層14の間隔を調整することによりダイオードの降伏電圧を調節することができる。具体的には、降伏電圧は、N型拡散層13,14の深さを深くし、P型拡散層12のP型不純物濃度を低くし、N型拡散層13とN型拡散層14の間隔を広げるほど増大する。
また、接続電極16がP型拡散層12を接地点に接続することで、ゲート電極5から接地点までの距離を短くし、降伏後のダイオードの直列抵抗を小さくしている。このため、サージ電流によりダイオードが熱破壊されるのを防ぐことができる。
なお、本実施の形態の双方向の横型ダイオードにおいて、P型拡散層12をN型拡散層に入れ替え、N型拡散層13,14をP型拡散層に入れ替えても同等の効果を得ることができる。
実施の形態2.
図9は、本発明の実施の形態2に係るサージ保護素子を示す上面図である。図10は、本発明の実施の形態2に係るサージ保護素子を示す断面図である。半導体基板1の上面にP型拡散層20が形成されている。P型拡散層20の中央部にN型拡散層21が形成され、P型拡散層20の外周部にP型拡散層22が形成されている。P型拡散層20の不純物濃度はN型拡散層21よりも低い。シリコン酸化膜(SiO)からなる絶縁膜15がP型拡散層20とN型拡散層21とP型拡散層22上に形成されている。
接続電極23が、絶縁膜15に設けられたビアを介してP型拡散層22を接地パッド24に接続し、接地パッド24はワイヤ又はビアにより接地点に接続される。接続電極25が、絶縁膜15に設けられたビアを介してN型拡散層21をドレインパッド7aに接続する。これらのP型拡散層20とN型拡散層21とP型拡散層22は双方向の横型ダイオードを構成する。この横型ダイオードはドレイン用のサージ保護素子26である。図11は、本発明の実施の形態2に係るサージ保護素子の電気特性を示す図である。サージ保護素子26は、設定した正又は負の電圧を超える電圧がソース・ドレイン間に印加されると降伏する。
続いて上記の半導体装置の製造方法を説明する。P型拡散層20とN型拡散層21は、実施の形態1のP型拡散層12とN型拡散層13,14と同様の方法により形成される。P型拡散層22は、P型拡散層20にイオン注入法又は拡散法にてP型不純物(ボロン,アルミニウム等)を1018個/cmから1020個/cmの濃度でドープし、800℃から1200℃の高温熱処理にてアニール、ドライブさせることで形成される。また、実施の形態1と同様に電界効果トランジスタ9を構成するGaNエピタキシャル層を形成する前に、P型拡散層20、N型拡散層21、及びP型拡散層22を形成する。その後の製造工程も実施の形態1と同様である。
続いて、サージ保護素子26の動作を説明する。ドレインパッド7aに裏面電極10を基準に正電位を印加した場合、N型拡散層21とP型拡散層20で構成されるダイオードは逆方向接続となるのでアバランシェ降伏電圧以下では電流は流れない。
サージによりN型拡散層21とP型拡散層20の間にアバランシェ降伏電圧以上の電圧が印加されるとすると急激に降伏電流が流れる。降伏電流はP型拡散層22、接続電極23、接地パッド24を介して接地点に流れる。
なお、ダイオードの降伏電圧は、高周波動作時のドレイン電圧振幅より広い電圧幅に設定して高周波動作時にダイオードが降伏しないようにする。さらに、この電圧をドレイン−ゲート間降伏電圧とゲート−ソース間降伏電圧より低く設定することで、ドレインにサージ流入時には電界効果トランジスタ9よりダイオードが先に降伏する。
本実施の形態のサージ保護素子26は電界効果トランジスタ9のドレインと接地点の間に接続された横型ダイオードとして機能する。このため、外部からドレインにサージ電流が流入しても電界効果トランジスタ9の能動領域を放電や発熱による破壊や劣化から防止することができる。
また、N型拡散層21の深さ、P型拡散層20の不純物濃度、N型拡散層21とP型拡散層22の間隔を調整することによりダイオードの降伏電圧を調節することができる。具体的には、降伏電圧は、N型拡散層21の深さを深くし、P型拡散層20の不純物濃度を低くし、N型拡散層21とP型拡散層22の間隔の間隔を広げるほど増大する。
また、接続電極23がP型拡散層20を接地点に接続することで、ドレイン電極7から接地点までの距離を短くし、降伏後のダイオードの直列抵抗を小さくしている。このため、サージ電流によりダイオードが熱破壊されるのを防ぐことができる。
実施の形態3.
図12は、本発明の実施の形態3に係るサージ保護素子を示す上面図である。図13は、本発明の実施の形態3に係るサージ保護素子を示す断面図である。N型ガードリング拡散層27がP型拡散層20内においてN型拡散層21とP型拡散層22との間に形成されている。その他の構成は実施の形態2と同様である。
型ガードリング拡散層27は、N型拡散層21と同様にイオン注入法又は拡散法にてN型不純物(ヒ素,リン等)を1018個/cmから1020個/cmの濃度でドープし、800℃から1200℃の高温熱処理にて形成する。N型ガードリング拡散層27はN型拡散層21と同一工程で形成してもよいし、別工程で形成してもよい。
サージ保護素子26のダイオード間に電圧が印加されるとN型拡散層21とP型拡散層20には空乏層が発生するが、両者の接合部又は曲率半径が小さい端部の電界強度が高くなりアバランシェ降伏が発生しやすくなる。そこで、本実施の形態ではN型拡散層21の外周にN型ガードリング拡散層27を設けて、N型拡散層21とP型拡散層20に電圧印加時に発生する空乏層の横広がりを促進し、空乏層の曲率半径を拡大する。これにより、N型拡散層21とP型拡散層20の接合部又は曲率半径が小さい端部の電界が緩和されアバランシェ降伏電圧を上げることができる。即ち、逆方向電圧印加時の電界が緩和されるため、降伏電圧の高い単方向ダイオードを構成することができる。
また、N型拡散層21の深さ等を調整するだけでなく、N型ガードリング拡散層27の深さ、N型拡散層21とN型ガードリング拡散層27の間隔を調整することでもダイオードの降伏電圧を調節することができる。なお、N型ガードリング拡散層27は複数個用いても構わない。
実施の形態4.
図14は、本発明の実施の形態4に係るサージ保護素子を示す上面図である。図15は、本発明の実施の形態4に係るサージ保護素子を示す断面図である。接続電極23は、サージ保護素子26を覆う絶縁膜15だけでなく、半導体基板1も貫通している。そして、接続電極23は半導体基板1を通って裏面電極10に接続されて接地されている。これにより、接地パッド24が不要となるため、チップ面積を低減することができる。サージ保護素子26の動作及びその他の効果は実施の形態2等と同様である。
実施の形態5.
図16は、本発明の実施の形態5に係るサージ保護素子を示す上面図である。図17は、本発明の実施の形態5に係るサージ保護素子を示す断面図である。接続電極23は、サージ保護素子26を覆う絶縁膜15を貫通しておらず、半導体基板1の下面からP型拡散層22の底部までエッチングしたバイアホールを金属材料等で充填することで形成されている。そして、接続電極23は半導体基板1を通って裏面電極10に接続されて接地されている。これにより、接地パッド24だけでなく絶縁膜15上でのGND配線も不要となるため、実施の形態4よりもチップ面積を低減することができる。サージ保護素子26の動作及びその他の効果は実施の形態2等と同様である。
実施の形態6.
図18は、本発明の実施の形態6に係る半導体装置を示す上面図である。図19は、本発明の実施の形態6に係るサージ保護素子を示す断面図である。ゲート用のサージ保護素子19が絶縁膜28を介してゲートパッド5aの直下に配置され、ドレイン用のサージ保護素子26が絶縁膜28を介してドレインパッド7aの直下に配置されている。サージ保護素子19の接続電極18はゲートパッド5aに接続され、サージ保護素子26の接続電極18はドレインパッド7aに接続されている。
このようにサージ保護素子19,26を電界効果トランジスタ9の能動領域に影響しないゲートパッド5aとドレインパッド7aの直下に配置することで、チップ面積を増大させずにサージ保護の効果が得られる。なお、ゲート用のサージ保護素子19として実施の形態1の構造を用い、ドレイン用のサージ保護素子26として実施の形態2の構造を用いたが、それぞれを他の実施の形態の構造としてもよい。
実施の形態7.
図20から図24は、本発明の実施の形態7に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。まず、図20に示すように実施の形態1と同様に半導体基板1の上面に横型ダイオードを構成するP型拡散層12、N型拡散層13、及びN型拡散層14を形成する。
次に、図21に示すように、半導体基板1の上面全面にシリコン酸化膜などの絶縁膜29を形成する。この際に、半導体基板1がSiCの場合はCVD法、Siの場合は熱酸化法又はCVD法を用いる。
次に、図22に示すように、サージ保護素子及びその周辺領域のみ絶縁膜29を残し、その他のトランジスタ領域等の絶縁膜29を除去する。これにより、P型拡散層12とN型拡散層13,14を覆う絶縁膜29が半導体基板1上の一部に残る。
次に、絶縁膜29で覆われてない半導体基板1上にGaNバッファー層2、アンドープGaNチャネル層3、及びAlGaN電子供給層4を順に形成し、その上にゲート電極5、ドレイン電極7、及びソース電極6を形成することで電界効果トランジスタ9を形成する。この際に、図23に示すように、絶縁膜29の上部にアモルファスGaNである非晶質半導体層30が形成される。
次に、図24に示すように、非晶質半導体層30を除去し、SiO等の絶縁膜31を化学気相堆積法(CVD法)等により形成する。絶縁膜29,31にコンタクトホールを開口し、接続電極16と接続電極18を形成する。その他の構成及び製造工程は実施の形態1と同様である。
本実施の形態では、サージ保護素子19を絶縁膜29で覆うことでサージ保護素子19の表面の界面準位と結晶欠陥密度を低減することができる。これにより、サージ保護素子19のダイオードの初期リーク電流が低下し、各ダイオードがアバランシェ降伏した際発生するホットキャリア(電子又はホール)が絶縁膜29と半導体基板1、P型拡散層12、N型拡散層13,14の境界にトラップされ難くなる。このため、電界効果トランジスタ9が長期間動作して多数のサージ流入を被っても、サージ保護素子19の各ダイオードのリーク電流増大や耐圧低下等の劣化を防止することができる。
また、サージ保護素子領域に絶縁膜29を残したままでGaNバッファー層2、アンドープGaNチャネル層3、及びAlGaN電子供給層4を形成するため、絶縁膜29の上部にアモルファスGaNである非晶質半導体層30が形成される。非晶質半導体層30には多数の不整結合が存在するため、エピタキシャル層や電極の形成時に混入する金属元素(鉄、銅、クロム、ニッケル等)、格子定数の不整合、その応力から発生した結晶欠陥を非晶質半導体層30内部に捕獲することができる。このため、トランジスタ領域のピット、転ループを低減できるので電界効果トランジスタ9のリーク電流や長期動作時の特性変動を低減することができる。
なお、実施の形態7の製造方法を実施の形態2〜6の半導体装置の製造に用いても同様の効果を得ることができる。
1 半導体基板、2 GaNバッファー層(半導体層)、3 アンドープGaNチャネル層(半導体層)、4 AlGaN電子供給層(半導体層)、5 ゲート電極、5a ゲートパッド(ワイヤボンディングパッド)、6 ソース電極、7 ドレイン電極、7a ドレインパッド(ワイヤボンディングパッド)、9 電界効果トランジスタ、10 裏面電極(接地電極)、12,20 P型拡散層、13 N型拡散層(第1のN型拡散層)、14 N型拡散層(第2のN型拡散層)、15,29 絶縁膜、16,23 接続電極(第1の接続電極)、18,25 接続電極(第2の接続電極)、21 N型拡散層(第1のN型拡散層)、27 N型ガードリング拡散層(第2のN型拡散層)、30 非晶質半導体層

Claims (5)

  1. 上面と下面を有する半導体基板と、
    前記半導体基板の前記上面の上に形成された半導体層と、ゲート電極と、ドレイン電極と、ソース電極とを有する電界効果トランジスタと、
    前記半導体基板の前記上面に形成されたP型拡散層と、
    前記半導体基板の前記上面に形成され、前記P型拡散層と共に横型ダイオードを構成する第1のN型拡散層と、
    前記P型拡散層を接地点に接続する第1の接続電極と、
    前記第1のN型拡散層を前記ゲート電極又は前記ドレイン電極に接続する第2の接続電極と
    前記P型拡散層内に形成された第2のN型拡散層とを備え
    前記第1のN型拡散層は前記P型拡散層内に形成され、
    前記第1の接続電極は前記第2のN型拡散層を介して前記P型拡散層に接続されていることを特徴とする半導体装置。
  2. 上面と下面を有する半導体基板と、
    前記半導体基板の前記上面の上に形成された半導体層と、ゲート電極と、ドレイン電極と、ソース電極とを有する電界効果トランジスタと、
    前記半導体基板の前記上面に形成されたP型拡散層と、
    前記半導体基板の前記上面に形成され、前記P型拡散層と共に横型ダイオードを構成する第1のN型拡散層と、
    前記P型拡散層を接地点に接続する第1の接続電極と、
    前記第1のN型拡散層を前記ゲート電極又は前記ドレイン電極に接続する第2の接続電極と、
    第2のN型拡散層とを備え、
    前記第1のN型拡散層は前記P型拡散層内に形成され、
    前記第1のN型拡散層は前記P型拡散層の中央部に形成され、
    前記第1の接続電極は前記P型拡散層の外周部に接続され、
    前記第2のN型拡散層は、前記P型拡散層内において前記外周部と前記第1のN型拡散層との間に形成されていることを特徴とする半導体装置。
  3. 前記ゲート電極又は前記ソース電極に接続されたワイヤボンディングパッドを更に備え、
    前記P型拡散層と前記第1のN型拡散層は絶縁膜を介して前記ワイヤボンディングパッドの直下に配置されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。
  4. 半導体基板の上面に横型ダイオードを構成するP型拡散層とN型拡散層を形成する工程と、
    前記P型拡散層と前記N型拡散層を覆う絶縁膜を前記半導体基板上の一部に形成する工程と、
    前記絶縁膜を形成した後に、前記絶縁膜で覆われてない前記半導体基板上に半導体層と、ゲート電極と、ドレイン電極と、ソース電極とを有する電界効果トランジスタを形成する工程と、
    前記P型拡散層を接地点に接続する第1の接続電極を形成する工程と、
    前記N型拡散層を前記ゲート電極又は前記ソース電極に接続する第2の接続電極を形成する工程とを備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  5. 前記半導体層を形成する際に前記絶縁膜上に非晶質半導体層が形成され、
    前記非晶質半導体層の内部に前記半導体層の金属元素又は結晶欠陥を捕獲することを特徴とする請求項に記載の半導体装置の製造方法。
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Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6107435B2 (ja) * 2013-06-04 2017-04-05 三菱電機株式会社 半導体装置及びその製造方法
US9111750B2 (en) * 2013-06-28 2015-08-18 General Electric Company Over-voltage protection of gallium nitride semiconductor devices
US9997507B2 (en) * 2013-07-25 2018-06-12 General Electric Company Semiconductor assembly and method of manufacture
JP2015073073A (ja) * 2013-09-06 2015-04-16 三菱電機株式会社 半導体装置およびその製造方法
US10153276B2 (en) * 2014-12-17 2018-12-11 Infineon Technologies Austria Ag Group III heterojunction semiconductor device having silicon carbide-containing lateral diode
US9773898B2 (en) * 2015-09-08 2017-09-26 Macom Technology Solutions Holdings, Inc. III-nitride semiconductor structures comprising spatially patterned implanted species
US10192980B2 (en) * 2016-06-24 2019-01-29 Cree, Inc. Gallium nitride high-electron mobility transistors with deep implanted p-type layers in silicon carbide substrates for power switching and radio frequency applications and process for making the same
EP3525232A1 (en) * 2018-02-09 2019-08-14 Nexperia B.V. Semiconductor device and method of manufacturing the same
JP7131155B2 (ja) * 2018-07-18 2022-09-06 サンケン電気株式会社 半導体装置
JP7364997B2 (ja) * 2019-03-13 2023-10-19 テキサス インスツルメンツ インコーポレイテッド 窒化物半導体基板
CN219040486U (zh) * 2020-01-16 2023-05-16 华为技术有限公司 一种氮化物半导体晶体管及电子设备
WO2021243654A1 (en) * 2020-06-04 2021-12-09 Innoscience (Zhuhai) Technology Co., Ltd. Semiconductor device and manufacturing method thereof
CN112038336B (zh) * 2020-06-15 2023-03-24 湖南三安半导体有限责任公司 氮化物器件及其esd防护结构和制作方法
WO2022000363A1 (en) * 2020-07-01 2022-01-06 Innoscience (Zhuhai) Technology Co., Ltd. Electronic device and method for manufacturing the same

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6392257B1 (en) * 2000-02-10 2002-05-21 Motorola Inc. Semiconductor structure, semiconductor device, communicating device, integrated circuit, and process for fabricating the same
JP2002170963A (ja) * 2000-12-01 2002-06-14 Sanken Electric Co Ltd 半導体素子、半導体装置、及び半導体素子の製造方法
JP4961646B2 (ja) * 2001-08-29 2012-06-27 株式会社デンソー 半導体装置およびその製造方法
JP4542912B2 (ja) * 2005-02-02 2010-09-15 株式会社東芝 窒素化合物半導体素子
JP4645313B2 (ja) * 2005-06-14 2011-03-09 富士電機システムズ株式会社 半導体装置
JP2008235612A (ja) * 2007-03-21 2008-10-02 Denso Corp 保護素子
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
JP2010010262A (ja) * 2008-06-25 2010-01-14 Panasonic Electric Works Co Ltd 半導体装置
JP5524462B2 (ja) 2008-08-06 2014-06-18 シャープ株式会社 半導体装置
US7915645B2 (en) 2009-05-28 2011-03-29 International Rectifier Corporation Monolithic vertically integrated composite group III-V and group IV semiconductor device and method for fabricating same
WO2012082840A1 (en) * 2010-12-15 2012-06-21 Efficient Power Conversion Corporation Semiconductor devices with back surface isolation
JP5678866B2 (ja) 2011-10-31 2015-03-04 株式会社デンソー 半導体装置およびその製造方法
JP2013118017A (ja) 2013-03-21 2013-06-13 Occs Planning Corp 電子広告配信システム及び方法
JP6107435B2 (ja) * 2013-06-04 2017-04-05 三菱電機株式会社 半導体装置及びその製造方法

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