JPH09172187A - Junction field effect semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents

Junction field effect semiconductor device and method of manufacturing the same

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JPH09172187A
JPH09172187A JP33008495A JP33008495A JPH09172187A JP H09172187 A JPH09172187 A JP H09172187A JP 33008495 A JP33008495 A JP 33008495A JP 33008495 A JP33008495 A JP 33008495A JP H09172187 A JPH09172187 A JP H09172187A
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JP
Japan
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plane
layer
type
semiconductor device
junction
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Application number
JP33008495A
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Japanese (ja)
Inventor
Toshiyuki Ono
俊之 大野
Daisuke Kawase
大助 川瀬
Takayuki Iwasaki
貴之 岩崎
Tsutomu Yao
勉 八尾
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】SiC電界効果半導体装置のリーク電流を低減
し信頼性を向上する。 【解決手段】半導体装置の主表面を{0001}面また
はこれと等価な面に平行にして、かつpn接合が形成さ
れる溝部の側壁面が{1−100}面またはこれと等価
な面に平行になるように構成する。 【効果】溝部のpn接合面における結晶のポリタイプが
一致するのでリーク電流の要因となる欠陥が低減する。
(57) Abstract: Leakage current of a SiC field effect semiconductor device is reduced and reliability is improved. A main surface of a semiconductor device is parallel to a {0001} plane or a plane equivalent to the {0001} plane, and a sidewall surface of a groove in which a pn junction is formed is a {1-100} plane or a plane equivalent thereto. Configure to be parallel. [Effect] Since the polytypes of the crystals on the pn junction surface of the groove match, defects that cause a leak current are reduced.

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】本発明は、半導体材料として
炭化珪素を用いる接合型電界効果半導体装置及びその製
造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a junction field effect semiconductor device using silicon carbide as a semiconductor material and a method for manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、動作電圧が数10Vから数100
0Vの範囲内にあり、かつ、作動電流が数100mAか
ら数100A以上にも及ぶ、トランジスタやサイリスタ
などのいわゆる電力用半導体装置やパワーICには、主
としてシリコン(Si)やガリウム砒素(GaAs)の単結
晶ウエハが用いられている。
2. Description of the Related Art Conventionally, operating voltage is from several tens of volts to several hundreds.
In a so-called power semiconductor device such as a transistor or a thyristor or a power IC, which has an operating current in the range of 0 V and ranges from several hundred mA to several hundred A or more, mainly silicon (Si) or gallium arsenide (GaAs) is used. Single crystal wafers are used.

【0003】ところで、近年になって、高速化する鉄道
車両における速度制御技術や、発電所と変電所間におけ
る高圧送電技術等の進歩に伴って、これらの技術に用い
られる電力用半導体装置に要求される作動電圧や作動電
流の値が大きくなってきている。しかも、作動周波数も
益々高まってくる傾向にある。また、パワーICについ
ても、自動車や産業用ロボット等に使用される際の動作
環境条件が厳しくなってきており、高温状態の環境下に
おける動作や、放射線照射状態の環境下における動作な
どに対して、高い信頼性が要求されている。
By the way, in recent years, with the progress of speed control technology for railway vehicles that are becoming faster and high-voltage power transmission technology between a power plant and a substation, etc., there has been a demand for power semiconductor devices used in these techniques. The values of operating voltage and operating current are increasing. Moreover, the operating frequency also tends to increase. Also, regarding power ICs, the operating environment conditions when they are used in automobiles, industrial robots, etc. are becoming stricter, and with respect to operation under high temperature environment and operation under radiation irradiation environment, etc. , High reliability is required.

【0004】このような各種の要求に対応するため、S
iやGaAsの単結晶ウエハを用いる半導体装置におい
ては、その構造改善が積極的に進められ、特に高電圧化
及び大電流化については、半導体装置の大型化により対
応している。しかし、大型の半導体装置が動作時に発生
する熱を放熱する冷却装置が大型化するという問題が顕
在化しつつある。一方、半導体素子の動作周波数の高周
波化についても、半導体材料の基本的物性値からその特
性向上に限界が見え始めている。
In order to meet such various requests, S
In a semiconductor device using a single crystal wafer of i or GaAs, the structure of the semiconductor device is being actively improved, and in particular, the increase in voltage and the increase in current are handled by increasing the size of the semiconductor device. However, a problem that a cooling device that dissipates heat generated when a large semiconductor device operates increases in size is becoming apparent. On the other hand, with respect to the increase in operating frequency of semiconductor elements, the limit of improvement in characteristics is beginning to be seen from the fundamental physical properties of semiconductor materials.

【0005】このような問題を打破するため、近年にな
って、半導体装置の構成材料として、エネルギ・バンド
ギャップの大きな炭化珪素(SiC)の単結晶が注目され
ている。このSiCはSiに比べてエネルギ・バンドギ
ャップや絶縁破壊電界が数倍以上も大きく、小型の半導
体装置でも、高電圧による動作及び大電流による動作が
可能になる。さらに、動作可能温度も原理的にSiより
数100℃以上も大きくできる可能性が有る。そして、
SiCからなる半導体装置は、高電圧動作及び大電流動
作においても、Siからなる半導体装置を十分上回る高
周波特性が得られる可能性が有る。なお、このSiCの
単結晶については、SiやGaAsと同様に立方晶のも
のと六方晶のものがあるが、バンドギャップや絶縁破壊
電界などの特性は、六方晶の方がより優れている。
In order to overcome such a problem, in recent years, a single crystal of silicon carbide (SiC) having a large energy band gap has attracted attention as a constituent material of a semiconductor device. This SiC has an energy bandgap and a dielectric breakdown electric field several times larger than those of Si, and even a small semiconductor device can operate with a high voltage and a large current. Further, in principle, the operable temperature may be higher than Si by several hundreds of degrees Celsius or more. And
The semiconductor device made of SiC may have a high frequency characteristic sufficiently higher than that of the semiconductor device made of Si even in a high voltage operation and a large current operation. Although there are cubic and hexagonal SiC single crystals similar to Si and GaAs, hexagonal crystals are more excellent in characteristics such as band gap and dielectric breakdown electric field.

【0006】しかしながら、SiCは、半導体装置を形
成するために必要な純度や大きさを備える単結晶を製造
することが非常に困難であった。このため、SiCを用
いた電力用半導体装置の研究開発はさほど進められてい
なかった。
However, it has been very difficult to manufacture a single crystal of SiC having a purity and a size required for forming a semiconductor device. For this reason, research and development of power semiconductor devices using SiC have not been advanced so much.

【0007】これに対して、ごく最近になり、半導体装
置を形成するために必要な比較的高い純度を有し、か
つ、十分な大きさを持ったSiCの単結晶が比較的高効
率で製造できる技術が開発され、SiCを素材にした半
導体装置の開発が急ピッチで進められるようになってき
た。一例としては、特開平4−239778 号公報に開示され
たMOSFETを挙げることができる。
On the other hand, only recently, a SiC single crystal having a relatively high purity necessary for forming a semiconductor device and having a sufficient size can be produced with relatively high efficiency. The technology that can be developed has been developed, and the development of a semiconductor device using SiC as a material has been rapidly advanced. As an example, the MOSFET disclosed in JP-A-4-239778 can be cited.

【0008】図7は、SiCの単結晶によって形成され
た従来のMOSFETの断面図である。
FIG. 7 is a sectional view of a conventional MOSFET formed of a SiC single crystal.

【0009】SiCの単結晶からなる半導体基板内にお
いて、抵抗率が低いn+型層51,抵抗率が高いn−型
ドレイン層52,p型ウエル層53が、この順に積層状
態に構成される。p型ウエル層53の表面の一部にはn
型ソース層54が形成される。n型ソース層54の形成
部分には、n型ソース層54からp型ウエル層53を介
してn−型ドレイン層52にまで達するように略垂直方
向に切り込まれた細長い溝部56が形成されている。こ
の溝部56には、その露出面を覆うように絶縁膜55が
設けられ、絶縁膜55の上面にゲート電極59が配置さ
れる。n+型層51の開放面にドレイン電極57がオー
ミック接合され、p型ウエル層53の開放面とn型ソー
ス層54の一部の表面にソース電極58がオーミック接
合される。
In a semiconductor substrate made of SiC single crystal, an n + type layer 51 having a low resistivity, an n− type drain layer 52 having a high resistivity, and a p type well layer 53 are laminated in this order. n is formed on a part of the surface of the p-type well layer 53.
The mold source layer 54 is formed. In the portion where the n-type source layer 54 is formed, an elongated groove portion 56 that is cut in a substantially vertical direction so as to reach the n − -type drain layer 52 from the n-type source layer 54 through the p-type well layer 53 is formed. ing. An insulating film 55 is provided in the groove 56 so as to cover the exposed surface thereof, and a gate electrode 59 is arranged on the upper surface of the insulating film 55. The drain electrode 57 is ohmic-bonded to the open surface of the n + type layer 51, and the source electrode 58 is ohmic-bonded to the open surface of the p-type well layer 53 and a part of the surface of the n-type source layer 54.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、SiC
を用いた従来の電界効果トランジスタは、SiCの長所
を十分活かしたものとはなっていない。それは以下のよ
うな理由による。
SUMMARY OF THE INVENTION However, SiC
The conventional field effect transistor using is not fully utilized the advantage of SiC. It is for the following reasons.

【0011】従来の電界効果トランジスタはMOS型で
あるため、チャンネルはp型のウエル領域と絶縁膜の界
面付近に形成される。SiCに形成される絶縁膜は熱酸
化による二酸化珪素が一般的であるが、Siの場合と異
なり、SiC上の熱酸化による二酸化珪素の形成はその
形成機構が複雑であり、SiCと二酸化珪素界面には多
数の欠陥が形成される。そのため、この界面付近に形成
されるチャンネルを通過するキャリアはこの欠陥により
散乱されるため、その移動度はSiC本来の値に比べて
著しく低減してしまう。これはMOSFETのオン抵抗を増大
させる。従って、理論上は優れた素子特性を示すSiC
も、界面の特性が悪いためにその長所を十分活かしたも
のとはなっていない。
Since the conventional field effect transistor is a MOS type, a channel is formed near the interface between the p type well region and the insulating film. The insulating film formed on SiC is generally silicon dioxide by thermal oxidation, but unlike Si, the formation mechanism of silicon dioxide by thermal oxidation on SiC is complicated, and the interface between SiC and silicon dioxide is complicated. A large number of defects are formed in. Therefore, the carriers passing through the channel formed near this interface are scattered by this defect, and the mobility thereof is significantly reduced as compared with the original value of SiC. This increases the on resistance of the MOSFET. Therefore, SiC that theoretically shows excellent device characteristics
However, since the characteristics of the interface are poor, it has not been able to fully utilize its advantages.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】本発明は、まず、六方晶
の炭化珪素単結晶を半導体材料とした接合型電界効果半
導体装置であることが特徴である。接合型にすることに
より、制御される電流の経路がゲート層と絶縁膜の界面
の近傍にはないため、本質的に界面の特性に影響を受け
にくく、SiC材料本来の特性が反映されやすい。
The present invention is first characterized by a junction type field effect semiconductor device using a hexagonal silicon carbide single crystal as a semiconductor material. With the junction type, since the controlled current path is not near the interface between the gate layer and the insulating film, the characteristics of the interface are essentially unaffected and the original characteristics of the SiC material are easily reflected.

【0013】さらに本発明の接合型電界効果半導体装置
の具体的な構成上の特徴は、六方晶の炭化珪素単結晶の
{0001}面またはこれと等価な面を主表面とし、こ
の主表面に溝部が形成され、溝部の側壁が炭化珪素単結
晶の結晶学的面指数{1-100}面またはこれと等価な面に
平行であることである。ここで、指数中の記載「−1」
は、「1」の上方に「−」を付ける慣例的な表記方法と
同じ意味を有する。
Further, a specific structural feature of the junction field effect semiconductor device of the present invention is that the {0001} plane of a hexagonal silicon carbide single crystal or a plane equivalent thereto is used as a main surface, and That is, the groove is formed, and the side wall of the groove is parallel to the crystallographic plane index {1-100} plane of the silicon carbide single crystal or a plane equivalent thereto. Where "-1" in the index
Has the same meaning as the conventional notation in which "-" is added above "1".

【0014】主表面を{0001}またはこれと等価な
面とし、溝部の側壁を{1−100}面またはこれと等価
な面と平行になるようにすると、溝部側壁に形成された
pn接合面における成長ポリタイプの相違による積層欠
陥や、溝部形成の際に生ずるミクロな突起部分が低減さ
れる。このため、pn接合において逆方向電圧が印加さ
れた場合のブレークダウン電圧の低下を防ぎ、半導体装
置の耐圧が向上する。さらに、本発明の接合型電界効果
半導体装置の製造方法は次のような工程を有する。
When the main surface is made of {0001} or its equivalent surface and the side wall of the groove is made parallel to the {1-100} surface or its equivalent surface, the pn junction surface formed on the side wall of the groove is formed. The stacking faults due to the difference in the growth polytype and the microscopic protrusions generated during the formation of the groove are reduced. Therefore, the breakdown voltage is prevented from lowering when a reverse voltage is applied to the pn junction, and the breakdown voltage of the semiconductor device is improved. Further, the method for manufacturing the junction field effect semiconductor device of the present invention has the following steps.

【0015】{0001}面またはこれと等価な面を
主表面とするn型の導電型の高不純物濃度の六方晶炭化
珪素単結晶ウエハを準備する工程、 前記六方晶炭化珪素単結晶ウエハの主表面に、エピタ
キシャル成長によってn型の導電型の炭化珪素ドレイン
層を形成する工程、 前記ドレイン層の表面に、複数のn型の導電型のソー
ス層をイオン注入により形成する工程、 前記ソース層の形成部分に、その側壁が前記ドレイン
層の表面に対して垂直方向であり、かつ、その結晶面が
{1−100}面またはこれと等価な面に平行な溝部を
形成する工程、 前記溝部を覆うようにp型の導電型の炭化珪素層をエ
ピタキシャル成長により形成する工程。
A step of preparing an n-type conductivity type high impurity concentration hexagonal silicon carbide single crystal wafer having a {0001} plane or a plane equivalent thereto as a main surface; Forming an n-type conductivity type silicon carbide drain layer on the surface by epitaxial growth; forming a plurality of n-type conductivity type source layers on the surface of the drain layer by ion implantation; forming the source layer Forming a groove portion whose side wall is perpendicular to the surface of the drain layer and whose crystal plane is parallel to the {1-100} plane or a plane equivalent thereto, in the portion; Thus forming a p-type conductivity type silicon carbide layer by epitaxial growth.

【0016】本製造方法によれば、主表面を{000
1}面またはこれと等価な面とする単結晶ウエハを用
い、その表面に側壁が{1−100}面またはこれと等
価な面と平行になるように溝部が形成されるので、工程
においてエピタキシャル成長により溝部側壁に形成さ
れるpn接合面における成長ポリタイプの相違が起きに
くい。従って、積層欠陥やミクロな突起部分が低減され
るので、pn接合のブレークダウン電圧の低下が防止さ
れ半導体装置の耐圧が向上する。
According to this manufacturing method, the main surface is covered with {000
1) plane or a plane equivalent to this plane is used, and a groove is formed on the surface so that the side wall is parallel to the {1-100} plane or a plane equivalent thereto. As a result, a difference in growth polytype is unlikely to occur at the pn junction surface formed on the sidewall of the groove. Therefore, stacking faults and microscopic protrusions are reduced, so that the breakdown voltage of the pn junction is prevented from lowering and the breakdown voltage of the semiconductor device is improved.

【0017】上記本発明は、溝部の側壁にpn接合を有
する半導体装置であれば、電界効果トランジスタ,電界
効果サイリスタ,静電誘導トランジスタ、および静電誘
導サイリスタなど各種の接合型電界効果半導体装置に対
して有効である。また、前記側壁がpn接合となる場合
に限らず、例えば、ショットキー接合であってもよい。
The present invention can be applied to various junction field effect semiconductor devices such as field effect transistors, field effect thyristors, static induction thyristors, and static induction thyristors, as long as the semiconductor device has a pn junction on the side wall of the groove. Effective against Further, the sidewall is not limited to the pn junction, and may be, for example, a Schottky junction.

【0018】[0018]

【発明の実施の形態】図1は本発明を実施した接合型電
界効果トランジスタの断面図である。本実施例は六方晶
SiCを半導体材料として形成されるものである。抵抗
率が低いn型(n+型)層11に接してこの層よりも抵
抗率が高いn型(n−型)のドレイン層12が設けられ
る。ソース側においては、溝部16が形成され、半導体
表面に凹凸を有する。凸部の頂部平面領域(以下主表面
20と記す)にはドレイン層12よりも抵抗率が低いn
型ソース層14が設けられる。凹部すなわち溝部16の
側壁21および溝部16の底部には、p型層13が設け
られる。ここでn型ソース層14とp型層13とは、こ
れらの間にドレイン層12が介在しているので、互いに
直接には接していない。n+型層11にはドレイン電極
17がオーミック接触し、n型ソース層14にはソース
電極18がオーミック接触する。さらに、溝部16の底
部において、ゲート電極19がp型層13とオーミック
接触する。なお、主表面20において、ドレイン層12
及びp型層13の表面とソース電極18との間には酸化
膜15が設けられる。これにより、ソース電極18とp
型層13とが絶縁されている。
1 is a sectional view of a junction field effect transistor embodying the present invention. In this embodiment, hexagonal SiC is used as a semiconductor material. An n-type (n-type) drain layer 12 having a higher resistivity than this layer is provided in contact with an n-type (n + type) layer 11 having a low resistivity. On the source side, the groove 16 is formed and the semiconductor surface has irregularities. N is lower in resistivity than the drain layer 12 in the top planar region of the protrusion (hereinafter referred to as the main surface 20).
A mold source layer 14 is provided. The p-type layer 13 is provided on the side wall 21 of the concave portion, that is, the groove portion 16, and on the bottom portion of the groove portion 16. Here, the n-type source layer 14 and the p-type layer 13 are not in direct contact with each other because the drain layer 12 is interposed therebetween. The drain electrode 17 makes ohmic contact with the n + type layer 11, and the source electrode 18 makes ohmic contact with the n type source layer 14. Furthermore, at the bottom of the groove 16, the gate electrode 19 makes ohmic contact with the p-type layer 13. In addition, on the main surface 20, the drain layer 12
An oxide film 15 is provided between the surface of the p-type layer 13 and the source electrode 18. As a result, the source electrode 18 and p
The mold layer 13 is insulated.

【0019】本実施例は、ドレイン電極17に所定の正
の作動電圧を供給した状態において、ゲート電極19に
電圧が印加されないとオン状態になる。ゲート電極19
に負のゲート電圧を印加すると、溝部の側壁21に平行
でp型層13とドレイン層12からなるpn接合には逆
方向電圧が印加された状態になり、空乏層が拡がってソ
ース電極とドレイン電極との間を流れるドレイン電流は
制限される。そして、十分大きなゲート電圧下で本実施
例はオフ状態になる。
In this embodiment, when a predetermined positive operating voltage is supplied to the drain electrode 17, the gate electrode 19 is turned on unless a voltage is applied. Gate electrode 19
When a negative gate voltage is applied to the gate, a reverse voltage is applied to the pn junction formed by the p-type layer 13 and the drain layer 12 in parallel with the sidewall 21 of the groove, and the depletion layer expands to expand the source electrode and the drain. The drain current flowing between the electrodes is limited. Then, under a sufficiently large gate voltage, this embodiment is turned off.

【0020】図2(a),(b),(c)は六方晶炭化珪素
(SiC)の単結晶の単位格子における{0001},{1
−100},{11−20}各結晶面を示す構造説明図で
ある。
2A, 2B and 2C are hexagonal silicon carbides.
{0001}, {1 in the unit cell of (SiC) single crystal
It is a structure explanatory view showing each crystal plane of -100} and {11-20}.

【0021】図2において、同一平面内にあり互いに1
20度で交叉するベクトルa1,a2,a3 において、a
1は単位格子の〈1000〉方向軸、a2はその〈010
0〉方向軸、a3はその〈0010〉方向軸であり、ま
た、〈1000〉方向軸a1,〈0100〉方向軸a2
〈0010〉方向軸a3のそれぞれの軸に対して垂直な
方向に伸びる鉛直軸がc軸である。
In FIG. 2, they are in the same plane and are 1
In the vectors a 1 , a 2 and a 3 that intersect at 20 degrees, a
1 is the <1000> direction axis of the unit cell, a 2 is the <010> axis
0> direction axis, a 3 is the <0010> direction axis, and <1000> direction axis a 1 , <0100> direction axis a 2 ,
The vertical axis extending in the direction perpendicular to each of the <0010> direction axes a 3 is the c axis.

【0022】そして、図2(a)の斜線で示すように、
前記〈1000〉方向軸a1,〈0100〉方向軸a2
〈0010〉方向軸a3のそれぞれに平行な面、即ちc
軸を鉛直線とする面が{0001}面である。また、図
2(b)及び図2(c)の斜線で示す面がそれぞれ{1
−100}面,{11−20}面である。
Then, as indicated by the diagonal lines in FIG.
The <1000> direction axis a 1 , the <0100> direction axis a 2 ,
A plane parallel to each <0010> direction axis a 3 , that is, c
The plane whose axis is the vertical line is the {0001} plane. In addition, the hatched surfaces in FIGS. 2B and 2C are {1
-100} plane and {11-20} plane.

【0023】図1に示した実施例においては、ソース層
14はイオン注入で、p型層13はエピタキシャル成長
で形成する。その際に、主表面20は六方晶SiCの
{0001}結晶面、溝部16は側面の結晶面が{1−
100}面となるようにする。それは以下のような理由
による。
In the embodiment shown in FIG. 1, the source layer 14 is formed by ion implantation and the p-type layer 13 is formed by epitaxial growth. At that time, the main surface 20 has a {0001} crystal plane of hexagonal SiC, and the groove portion 16 has a side crystal plane of {1-}.
100 plane. It is for the following reasons.

【0024】p型層13をエピタキシャル成長で形成す
る場合、p型層13はドレイン層12と同一のポリタイ
プとなる必要がある。なぜなら、異なるポリタイプとな
った場合、その界面、すなわちpn接合面において構造
欠陥を生じ、このpn接合に逆方向電圧が印加された場
合に大きなリ−ク電流が発生する。
When the p-type layer 13 is formed by epitaxial growth, the p-type layer 13 needs to have the same polytype as the drain layer 12. This is because when different polytypes are used, structural defects occur at the interface, that is, at the pn junction surface, and a large leak current occurs when a reverse voltage is applied to this pn junction.

【0025】SiCにおけるポリタイプとは{000
1}面に平行な原子面の〈0001〉方向の積層順序の
違いに依存するものである。{0001}面に平行な原
子面には3種類の原子配置のものがあるので、これらを
A,B,Cと区別して表すとすると、SiCのポリタイ
プは〈0001〉方向の積層におけるこのA,B,C順
列の違いによって表現されるものである。例えば、6H
−SiCはACBABC…,4H−SiCはACBC…
と表される。
Polytype in SiC is {000
It depends on the difference in the stacking order in the <0001> direction of the atomic plane parallel to the 1} plane. There are three kinds of atomic arrangements in the atomic plane parallel to the {0001} plane. Therefore, if these are distinguished from A, B, and C, the polytype of SiC is this A in the stack in the <0001> direction. , B, C permutations. For example, 6H
-SiC is ACBABC ..., 4H-SiC is ACBC ...
It is expressed as

【0026】一般にエピタキシャル成長では成長層の原
子配列は下地の原子配列に強く依存する。従って、ドレ
イン層12の表面にエピタキシャル成長するp型層13
のポリタイプをドレイン層12と同一にするためには、
ドレイン層12のp型層13と接する面の結晶方位は上
記のA,B,Cなどの原子層の順列があらわに現れてい
る結晶面が望ましい。そのためには、主表面20は{0
001}面にするのがよい。
Generally, in epitaxial growth, the atomic arrangement of the growth layer strongly depends on the atomic arrangement of the underlying layer. Therefore, the p-type layer 13 epitaxially grown on the surface of the drain layer 12
In order to make the polytype of the same as the drain layer 12,
The crystal orientation of the surface of the drain layer 12 in contact with the p-type layer 13 is preferably a crystal surface in which the permutation of the atomic layers such as A, B, and C described above appears clearly. For that purpose, the main surface 20 is {0
It is better to make the 001} plane.

【0027】前述したように、溝部16の側壁面及び底
面はpn接合の接合面となるから、可能な限り平坦であ
る必要がある。通常、溝部16を形成するには反応性イ
オンエッチング法などの手法が用いられるが、エッチン
グ面の平坦性は、マクロにみればエッチング条件の最適
化により達成されるものの、ミクロにはその結晶面に強
く依存する。
As described above, since the side wall surface and the bottom surface of the groove portion 16 are joint surfaces of the pn junction, they must be as flat as possible. Usually, a method such as a reactive ion etching method is used to form the groove portion 16, but the flatness of the etching surface is achieved by optimizing the etching conditions in macroscopic terms, but the crystallographic surface is microscopically determined. Strongly depends on.

【0028】六方晶SiCの{0001}面、即ち図1
の主表面20の方向から見たSiCの原子配列を図3に
示す。図3において、エッチングされる原子31を色付
きの丸で、残留する原子32を白丸で、マクロにみた溝
部16の側壁33を破線で示すと、側壁が{1−10
0}面と平行になるようにしたものが図3(a)であ
る。この場合、側壁面の方向は原子の密な配列の方向と
一致するため、エッチング面はミクロにみても平坦にな
る。
The {0001} plane of hexagonal SiC, that is, FIG.
The atomic arrangement of SiC viewed from the direction of the main surface 20 of is shown in FIG. In FIG. 3, the atoms 31 to be etched are shown by colored circles, the remaining atoms 32 are shown by white circles, and the side wall 33 of the groove portion 16 in macro view is shown by a broken line.
FIG. 3 (a) shows a plane parallel to the 0} plane. In this case, since the direction of the side wall surface coincides with the direction of the dense arrangement of atoms, the etching surface is flat when viewed microscopically.

【0029】一方、側壁が{1−100}面以外の面、
例えば{11−20}面と平行になるようにしたものが
図3(b)である。この場合は、側壁面の方向は原子の
密な配列の方向と一致しないため、マクロには平坦にな
っていたとしてもミクロにみるとエッチングは原子の密
な配列の方向に沿ってなされるから、エッチング面は図
3(b)に示すようにジグザグな面となる。その場合、
p型層13との界面(pn接合面)もジグザグになるた
め、逆方向電圧が印加されたときには、その突出部に電
界が集中し、ブレークダウンをもたらす恐れがある。従
って、このような不都合は溝部16の側壁21を{1−
100}面と平行になるようにすることにより防止でき
る。
On the other hand, the side wall is a plane other than the {1-100} plane,
For example, FIG. 3 (b) shows one that is parallel to the {11-20} plane. In this case, since the direction of the side wall surface does not coincide with the direction of the dense arrangement of atoms, etching is performed along the direction of the dense arrangement of atoms even if it is flat in the macro, even if it is flat in the macro. The etching surface is a zigzag surface as shown in FIG. In that case,
The interface with the p-type layer 13 (pn junction surface) also becomes zigzag, so that when a reverse voltage is applied, the electric field may concentrate on the protruding portion and cause breakdown. Therefore, such inconvenience causes the side wall 21 of the groove portion 16 to have a length of {1-
This can be prevented by making it parallel to the 100} plane.

【0030】なお、{0001}面の方位を持つn+型層
11上にドレイン層12をエピタキシャル成長によって
形成する場合、欠陥の無い良好なエピタキシャル成長膜
を得るためには、前記n+型層の主表面を{0001}面
から6度ほど〈11−20〉方向に傾けることが有効で
ある。その場合でも、実際の結晶の主表面は{0001}面
を表面方向とするステップが〈11−20〉方向に階段
状に並んでいるという構造になっている。かつ、この階
段状の表面と{1−100}面とは垂直な位置関係とな
っているので、主表面を{0001}面から〈11−2
0〉方向に数度傾けてもなんら支障は生じない。
When the drain layer 12 is formed by epitaxial growth on the n + type layer 11 having the {0001} plane orientation, in order to obtain a good epitaxial growth film without defects, the main surface of the n + type layer is It is effective to tilt in the <11-20> direction about 6 degrees from the {0001} plane. Even in that case, the actual main surface of the crystal has a structure in which steps having the {0001} plane as the surface direction are arranged in a stepwise manner in the <11-20> direction. Moreover, since the stepwise surface and the {1-100} plane have a vertical positional relationship, the main surface can be changed from the {0001} plane to the <11-2 plane.
There is no problem even if it is tilted a few degrees in the 0> direction.

【0031】図4は、本発明の他の実施例である接合型
電界効果トランジスタの構成を示す図であって、(a)
は平面図、(b)はそのA−A′線部分から見た断面構
成を示す斜視図である。本図において、図1に対応する
部分または相当する部分には同一の符号を付けた。
FIG. 4 is a diagram showing the structure of a junction field effect transistor which is another embodiment of the present invention, in which (a)
Is a plan view, and (b) is a perspective view showing a cross-sectional configuration as seen from the line AA '. In this figure, the portions corresponding to or corresponding to those in FIG.

【0032】本実施例においては、その主表面20が六
方晶SiC単結晶の{0001}面に一致するように構
成されている。さらに溝部16においては、その側壁面
全面の結晶方位が六方晶SiC単結晶の{1−100}
面に一致するように選ばれている。従って前述したよう
に、p型層13とドレイン層12からなるpn接合面は
ミクロなスケールでみた場合においても平坦であるか
ら、このpn接合に逆方向電圧が印加された場合におい
て局所的な電界の集中は起きない。このため、オフ時の
ソースとドレイン間の漏れ電流が著しく低減されるよう
になる。
In the present embodiment, the main surface 20 is configured to coincide with the {0001} plane of the hexagonal SiC single crystal. Furthermore, in the groove portion 16, the crystal orientation of the entire side wall surface is {1-100} of hexagonal SiC single crystal.
Selected to match the face. Therefore, as described above, the pn junction surface composed of the p-type layer 13 and the drain layer 12 is flat even on a microscopic scale, so that a local electric field is applied when a reverse voltage is applied to this pn junction. Concentration does not occur. Therefore, the leakage current between the source and the drain at the time of turning off is significantly reduced.

【0033】図5(a)〜(f)は、図4に示した実施
例の製造工程の一例を示す断面図である。本図におい
て、図4に示された構成要素と同じ構成要素には同じ符
号を付けている。
FIGS. 5A to 5F are sectional views showing an example of the manufacturing process of the embodiment shown in FIG. In the figure, the same components as those shown in FIG. 4 are designated by the same reference numerals.

【0034】まず、図5(a)に示すように、n+型層
11として、n+型の低い抵抗率を有し結晶面方位{0
001}が主表面20になるように切り出した六方晶S
iCの単結晶ウエハを準備する。この単結晶ウエハ(n
+型層11)の主表面20側に、水素をキャリアガスと
してシランとプロパンを原料ガスに用い、n型の不純物
ガスを添加しながらエピタキシャル成長させて所望の抵
抗率と厚みを持ったn−型のドレイン層12を形成す
る。
First, as shown in FIG. 5A, the n + type layer 11 has a low resistivity of the n + type and has a crystal plane orientation {0.
Hexagonal S cut out so that 001} becomes the main surface 20
An iC single crystal wafer is prepared. This single crystal wafer (n
On the main surface 20 side of the + type layer 11), hydrogen is used as a carrier gas and silane and propane are used as source gases, and n-type having a desired resistivity and thickness is formed by epitaxial growth while adding an n-type impurity gas. The drain layer 12 is formed.

【0035】次に、図5(b)に示すように、ドレイン
層12の表面を部分的に酸化して酸化膜15を形成し、
この酸化膜をマスクにしてn型不純物のイオン打ち込み
を行い、部分的にn型ソース層14を形成する。
Next, as shown in FIG. 5B, the surface of the drain layer 12 is partially oxidized to form an oxide film 15.
Using this oxide film as a mask, n-type impurity ions are implanted to partially form the n-type source layer 14.

【0036】次に、図5(c)に示すように、主表面2
0全体に酸化膜を形成し、ドレイン層12表面の溝部1
6を形成する箇所にホトリソグラフィーによって酸化膜
を除去して窓をあける。その際、溝部の側壁が六方晶S
iCの{1−100}面に一致するように酸化膜をパタ
ーンニングする。具体的には、図4(a)に示したよう
な平面パターンになるようにする。
Next, as shown in FIG. 5C, the main surface 2
Oxide film is formed on the entire surface of the drain layer 12 and the groove portion 1 on the surface of the drain layer 12 is formed.
A window is opened by removing the oxide film by photolithography at the place where 6 is to be formed. At that time, the side wall of the groove is hexagonal S
The oxide film is patterned so as to match the {1-100} plane of iC. Specifically, the plane pattern as shown in FIG.

【0037】次に、図5(d)に示すように、酸化膜を
マスクとして、反応性イオンエッチングにより主表面2
0に垂直に溝部16を形成する。前工程における酸化膜
のパターンニングにより、溝部16の側壁が六方晶Si
Cの{1−100}面に一致する。
Next, as shown in FIG. 5D, the main surface 2 is formed by reactive ion etching using the oxide film as a mask.
The groove 16 is formed perpendicular to 0. Due to the patterning of the oxide film in the previous step, the side wall of the groove 16 is made of hexagonal Si.
It matches the {1-100} plane of C.

【0038】次に、図5(e)に示すように、溝部16
の内壁に、水素をキャリアガスとしてシランとプロパン
を原料ガスに用い、p型の不純物ガスを添加しながらエ
ピタキシャル成長させてp型層13を形成する。
Next, as shown in FIG. 5E, the groove 16
Hydrogen is used as a carrier gas and silane and propane are used as raw material gases on the inner wall of the substrate to epitaxially grow while adding a p-type impurity gas to form a p-type layer 13.

【0039】さらに、図5(f)に示すように、n型ソ
ース層14を覆っていた酸化膜をエッチングして、n型
ソース層14上に金属膜からなるソース電極18を形成
する。これと同時に、溝部16の底面に金属膜からなる
ソース電極19を形成する。一方、単結晶ウエハの他の
開放面に金属膜からなるドレイン電極17を形成する。
Further, as shown in FIG. 5F, the oxide film covering the n-type source layer 14 is etched to form a source electrode 18 made of a metal film on the n-type source layer 14. At the same time, the source electrode 19 made of a metal film is formed on the bottom surface of the groove 16. On the other hand, the drain electrode 17 made of a metal film is formed on the other open surface of the single crystal wafer.

【0040】図6は、本発明を実施した別の実施例であ
る電界効果トランジスタの構成を示す平面図である。図
6において、図1に示された構成要素と同じ構成要素に
は同じ符号を付けている。各トランジスタの主表面21
は六方晶SiCの単結晶の{0001}面に一致するよ
うに構成されており、主表面21には垂直方向に溝部1
6が設けられている。これらの溝部16は、上面から見
て、それぞれ(a)細長い六角形状からなる溝部、
(b)台形形状からなる溝部、(c)平行四辺形形状から
なる溝部である。かつ、これらの溝部の側壁は、いずれ
も、六方晶SiCの単結晶の{1−100}面に一致す
る方向に形成されている。
FIG. 6 is a plan view showing the structure of a field effect transistor which is another embodiment of the present invention. 6, the same components as those shown in FIG. 1 are designated by the same reference numerals. Main surface 21 of each transistor
Is formed so as to coincide with the {0001} plane of a hexagonal SiC single crystal.
6 are provided. These groove portions 16 are (a) elongated hexagonal groove portions as viewed from above,
(b) A trapezoidal groove portion and (c) a parallelogram-shaped groove portion. In addition, the sidewalls of these grooves are all formed in a direction coinciding with the {1-100} plane of the hexagonal SiC single crystal.

【0041】これらの実施例においても、図1や図4の
実施例と同様に、溝部16の側壁面21に平行なpn接
合においては、p層とn層を構成するSiCのポリタイ
プの相違が起こらず、積層欠陥を生じることはない。ま
た、pn接合界面はミクロなスケールでみた場合におい
ても平坦である。従って、pn接合に逆方向電圧が印加
された場合においても電界の集中が起きないので、オフ
時のソースとドレイン間の漏れ電流を著しく低減させる
ことができる。
Also in these embodiments, similarly to the embodiments of FIGS. 1 and 4, in the pn junction parallel to the side wall surface 21 of the groove portion 16, the difference between the polytypes of SiC forming the p layer and the n layer is different. Does not occur and stacking faults do not occur. Further, the pn junction interface is flat even when viewed on a micro scale. Therefore, electric field concentration does not occur even when a reverse voltage is applied to the pn junction, so that the leakage current between the source and the drain at the time of off can be significantly reduced.

【0042】なお、各実施例における各結晶面は、結晶
学的に等価な面であれば上述した指数と異なる指数を有
する面であってもよい。
Each crystal face in each embodiment may be a face having an index different from the above-mentioned index as long as it is a crystallographically equivalent face.

【0043】[0043]

【発明の効果】本発明によれば、六方晶炭化珪素の単結
晶を素材とした電界効果トランジスタのリーク電流を著
しく小さくすることができ、信頼性を大幅に向上するこ
とができる。
According to the present invention, the leak current of a field effect transistor made of a single crystal of hexagonal silicon carbide can be significantly reduced, and the reliability can be greatly improved.

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

【図1】本発明を実施した接合型電界効果トランジスタ
の断面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a junction field effect transistor embodying the present invention.

【図2】六方晶炭化珪素(SiC)の単結晶の単位格子に
おける{0001},{1−100},{11−20}各結晶
面を示す構造説明図である。
FIG. 2 is a structural explanatory diagram showing {0001}, {1-100}, and {11-20} crystal faces in a unit cell of a single crystal of hexagonal silicon carbide (SiC).

【図3】六方晶SiCの{0001}面、即ち図1の主
表面20の方向から見たSiCの原子配列を示す図であ
る。
3 is a diagram showing the {0001} plane of hexagonal SiC, that is, the atomic arrangement of SiC as seen from the direction of main surface 20 in FIG. 1. FIG.

【図4】本発明の他の実施例である接合型電界効果トラ
ンジスタの構成を示す図であって、(a)は平面図、
(b)はそのA−A′線部分から見た断面構成を示す斜
視図である。
FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a junction field effect transistor which is another embodiment of the present invention, in which (a) is a plan view,
(B) is a perspective view showing a cross-sectional configuration as seen from the line AA '.

【図5】図4に示した実施例の製造工程の一例を示す断
面図である。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing an example of a manufacturing process of the embodiment shown in FIG.

【図6】本発明を実施した別の実施例である電界効果ト
ランジスタの構成を示す平面図である。
FIG. 6 is a plan view showing the configuration of a field effect transistor which is another embodiment of the present invention.

【図7】SiCの単結晶によって形成された従来のMOSF
ETの断面図である。
FIG. 7: Conventional MOSF formed of SiC single crystal
It is sectional drawing of ET.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11…n+型層、12…ドレイン層、13…p型層、1
4…n型ソース層、15…酸化膜、16…溝部、17…
ドレイン電極、18…ソース電極、19…ゲート電極、
20…半導体基板の主表面、21…溝部の側壁。
11 ... N + type layer, 12 ... Drain layer, 13 ... P type layer, 1
4 ... N-type source layer, 15 ... Oxide film, 16 ... Groove part, 17 ...
Drain electrode, 18 ... Source electrode, 19 ... Gate electrode,
20 ... Main surface of semiconductor substrate, 21 ... Side wall of groove.

フロントページの続き (72)発明者 八尾 勉 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株 式会社日立製作所日立研究所内Front Page Continuation (72) Inventor Tsutomu Yao 7-1-1 Omika-cho, Hitachi-shi, Ibaraki Hitachi Ltd. Hitachi Research Laboratory

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】六方晶の炭化珪素単結晶の{0001}面
またはこれと等価な面を主表面とし、この主表面に溝部
が形成され、溝部の側壁が炭化珪素単結晶の結晶学的面
指数{1−100}面またはこれと等価な面に平行であ
ることを特徴とする接合型電界効果半導体装置。
1. A {0001} plane of a hexagonal silicon carbide single crystal or a plane equivalent thereto is used as a main surface, a groove is formed in this main surface, and the side wall of the groove is a crystallographic plane of the silicon carbide single crystal. A junction-type field effect semiconductor device, which is parallel to an index {1-100} plane or a plane equivalent thereto.
【請求項2】請求項1記載の接合型電界効果半導体装置
において、前記溝部の側壁に平行にpn接合が形成され
ることを特徴とする接合型電界効果半導体装置。
2. The junction field effect semiconductor device according to claim 1, wherein a pn junction is formed in parallel with a side wall of the groove.
【請求項3】以下の〜の各工程を有することを特徴
とする接合型電界効果半導体装置の製造方法。 {0001}面またはこれと等価な面を主表面とする
n型の導電型の高不純物濃度の六方晶炭化珪素単結晶ウ
エハを準備する工程、 前記六方晶炭化珪素単結晶ウエハの主表面に、エピタ
キシャル成長によってn型の導電型の炭化珪素ドレイン
層を形成する工程、 前記ドレイン層の表面に、複数のn型の導電型のソー
ス層をイオン注入により形成する工程、 前記ソース層の形成部分に、その側壁が前記ドレイン
層の表面に対して垂直方向であり、かつ、その結晶面が
{1−100}面またはこれと等価な面に平行な溝部を
形成する工程、 前記溝部を覆うようにp型の導電型の炭化珪素層をエ
ピタキシャル成長により形成する工程。
3. A method of manufacturing a junction field effect semiconductor device, which comprises the following steps (1) to (3). A step of preparing an n-type conductivity type high impurity concentration hexagonal silicon carbide single crystal wafer having a {0001} plane or a plane equivalent thereto as a main surface; A step of forming an n-type conductivity type silicon carbide drain layer by epitaxial growth; a step of forming a plurality of n-type conductivity type source layers on the surface of the drain layer by ion implantation; and a step of forming the source layer, A step of forming a groove portion whose side wall is perpendicular to the surface of the drain layer and whose crystal plane is parallel to the {1-100} plane or a plane equivalent thereto, and p so as to cover the groove portion Forming a conductive type silicon carbide layer by epitaxial growth.
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