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公開番号
2024147819
公報種別
公開特許公報(A)
公開日
2024-10-16
出願番号
2024123307,2024098559
出願日
2024-07-30,2011-08-02
発明の名称
半導体装置
出願人
株式会社半導体エネルギー研究所
代理人
主分類
H10B
12/00 20230101AFI20241008BHJP()
要約
【課題】電力が供給されない状況でも記憶内容の保持が可能で、かつ、書き込み回数にも制限が無い、新たな構造の半導体装置を提供する。
【解決手段】酸化物半導体を用いた書き込み用トランジスタ162、該トランジスタと異なる半導体材料を用いた読み出し用トランジスタ160及び容量素子164を含む不揮発性のメモリセルを有する半導体装置であって、メモリセルへの書き込みは、書き込み用トランジスタをオン状態とすることにより、書き込み用トランジスタのソース電極(またはドレイン電極)と、容量素子の電極の一方と、読み出し用トランジスタのゲート電極とが、電気的に接続されたノードFGに電位を供給した後、書き込み用トランジスタをオフ状態とすることにより、ノードに所定量の電荷を保持させることで行う。また、読み出し用トランジスタとして、pチャネル型トランジスタを用いて、読み出し電位を正の電位とする。
【選択図】図1
特許請求の範囲
【請求項1】
第1のトランジスタと、第2のトランジスタと、容量素子と、を有する半導体装置であって、
第1の絶縁層と、
前記第1の絶縁層の上方に位置する領域を有しかつ前記第1のトランジスタのチャネル形成領域としての機能を有する半導体層と、
前記半導体層の上方に位置する領域を有しかつ前記第1のトランジスタのゲート絶縁層としての機能を有する第2の絶縁層と、
前記第2の絶縁層の上方に位置する領域を有しかつ前記第1のトランジスタのゲート電極としての機能を有する第1の導電層と、
前記第2の絶縁層の上面と接する領域と、前記第1の導電層の側面と接する領域と、を有する第3の絶縁層と、
前記第3の絶縁層の上方に位置する領域を有する第4の絶縁層と、
前記第4の絶縁層の上面と接する領域を有しかつ前記第2のトランジスタのチャネル形成領域としての機能を有する酸化物半導体層と、
前記第4の絶縁層の上面と接する領域と、前記酸化物半導体層の上面と接する領域と、を有しかつ前記第2のトランジスタのソース電極又はドレイン電極の一方としての機能と、前記容量素子の電極の一方としての機能と、を有する第2の導電層と、
前記第4の絶縁層の上面と接する領域と、前記酸化物半導体層の上面と接する領域と、を有しかつ前記第2のトランジスタのソース電極又はドレイン電極の他方としての機能を有する第3の導電層と、
前記酸化物半導体層の上方に位置する領域と、前記第2の導電層の上方に位置する領域と、前記第3の導電層の上方に位置する領域と、を有しかつ前記第2のトランジスタのゲート絶縁層としての機能を有する第5の絶縁層と、
前記第5の絶縁層の上面と接する領域を有しかつ前記第2のトランジスタのゲート電極としての機能を有する第4の導電層と、
前記第5の絶縁層の上面と接する領域を有しかつ前記容量素子の電極の他方としての機能を有する第5の導電層と、
前記第4の導電層の上面と接する領域と、前記第5の導電層の上面と接する領域と、を有する第6の絶縁層と、を有し、
前記第2の導電層は、前記第1の導電層と接する領域を有し、
前記第3の導電層は、前記半導体層と常に導通し、
前記半導体層は、シリコンを有し、
前記酸化物半導体層は、Inと、Gaと、Znと、を有し、
前記酸化物半導体層は、前記第1の導電層と重なる領域を有していない半導体装置。
続きを表示(約 7,900 文字)
【請求項2】
第1のトランジスタと、第2のトランジスタと、容量素子と、を有する半導体装置であって、
第1の絶縁層と、
前記第1の絶縁層の上方に位置する領域を有しかつ前記第1のトランジスタのチャネル形成領域としての機能を有する半導体層と、
前記半導体層の上方に位置する領域を有しかつ前記第1のトランジスタのゲート絶縁層としての機能を有する第2の絶縁層と、
前記第2の絶縁層の上方に位置する領域を有しかつ前記第1のトランジスタのゲート電極としての機能を有する第1の導電層と、
前記第2の絶縁層の上面と接する領域と、前記第1の導電層の側面と接する領域と、を有する第3の絶縁層と、
前記第3の絶縁層の上方に位置する領域を有する第4の絶縁層と、
前記第4の絶縁層の上面と接する領域を有しかつ前記第2のトランジスタのチャネル形成領域としての機能を有する酸化物半導体層と、
前記第4の絶縁層の上面と接する領域と、前記酸化物半導体層の上面と接する領域と、を有しかつ前記第2のトランジスタのソース電極又はドレイン電極の一方としての機能と、前記容量素子の電極の一方としての機能と、を有する第2の導電層と、
前記第4の絶縁層の上面と接する領域と、前記酸化物半導体層の上面と接する領域と、を有しかつ前記第2のトランジスタのソース電極又はドレイン電極の他方としての機能を有する第3の導電層と、
前記酸化物半導体層の上方に位置する領域と、前記第2の導電層の上方に位置する領域と、前記第3の導電層の上方に位置する領域と、を有しかつ前記第2のトランジスタのゲート絶縁層としての機能を有する第5の絶縁層と、
前記第5の絶縁層の上面と接する領域を有しかつ前記第2のトランジスタのゲート電極としての機能を有する第4の導電層と、
前記第5の絶縁層の上面と接する領域を有しかつ前記容量素子の電極の他方としての機能を有する第5の導電層と、
前記第4の導電層の上面と接する領域と、前記第5の導電層の上面と接する領域と、を有する第6の絶縁層と、を有し、
前記第2の導電層は、前記第1の導電層と接する第1の領域を有し、
前記第1の領域は、前記第1のトランジスタのチャネル形成領域と重なる領域を有し、
前記第1の領域は、前記第5の絶縁層を介して前記第5の導電層と重なる領域を有し、
前記第3の導電層は、前記半導体層と常に導通し、
前記半導体層は、シリコンを有し、
前記酸化物半導体層は、Inと、Gaと、Znと、を有し、
前記酸化物半導体層は、前記第1の導電層と重なる領域を有していない半導体装置。
【請求項3】
第1のトランジスタと、第2のトランジスタと、容量素子と、を有する半導体装置であって、
第1の絶縁層と、
前記第1の絶縁層の上方に位置する領域を有しかつ前記第1のトランジスタのチャネル形成領域としての機能を有する半導体層と、
前記半導体層の上方に位置する領域を有しかつ前記第1のトランジスタのゲート絶縁層としての機能を有する第2の絶縁層と、
前記第2の絶縁層の上方に位置する領域を有しかつ前記第1のトランジスタのゲート電極としての機能を有する第1の導電層と、
前記第2の絶縁層の上面と接する領域と、前記第1の導電層の側面と接する領域と、を有する第3の絶縁層と、
前記第3の絶縁層の上方に位置する領域を有する第4の絶縁層と、
前記第4の絶縁層の上面と接する領域を有しかつ前記第2のトランジスタのチャネル形成領域としての機能を有する酸化物半導体層と、
前記第4の絶縁層の上面と接する領域と、前記酸化物半導体層の上面と接する領域と、を有しかつ前記第2のトランジスタのソース電極又はドレイン電極の一方としての機能と、前記容量素子の電極の一方としての機能と、を有する第2の導電層と、
前記第4の絶縁層の上面と接する領域と、前記酸化物半導体層の上面と接する領域と、を有しかつ前記第2のトランジスタのソース電極又はドレイン電極の他方としての機能を有する第3の導電層と、
前記酸化物半導体層の上方に位置する領域と、前記第2の導電層の上方に位置する領域と、前記第3の導電層の上方に位置する領域と、を有しかつ前記第2のトランジスタのゲート絶縁層としての機能を有する第5の絶縁層と、
前記第5の絶縁層の上面と接する領域を有しかつ前記第2のトランジスタのゲート電極としての機能を有する第4の導電層と、
前記第5の絶縁層の上面と接する領域を有しかつ前記容量素子の電極の他方としての機能を有する第5の導電層と、
前記第4の導電層の上面と接する領域と、前記第5の導電層の上面と接する領域と、を有する第6の絶縁層と、を有し、
前記第2の導電層は、前記第1の導電層と接する領域を有し、
前記第3の導電層は、前記半導体層と常に導通し、
前記半導体層は、シリコンを有し、
前記第3の絶縁層は、窒素と、シリコンとを有し、
前記第4の絶縁層は、酸素と、シリコンとを有し、
前記酸化物半導体層は、Inと、Gaと、Znと、を有し、
前記酸化物半導体層は、前記第1の導電層と重なる領域を有していない半導体装置。
【請求項4】
第1のトランジスタと、第2のトランジスタと、容量素子と、を有する半導体装置であって、
第1の絶縁層と、
前記第1の絶縁層の上方に位置する領域を有しかつ前記第1のトランジスタのチャネル形成領域としての機能を有する半導体層と、
前記半導体層の上方に位置する領域を有しかつ前記第1のトランジスタのゲート絶縁層としての機能を有する第2の絶縁層と、
前記第2の絶縁層の上方に位置する領域を有しかつ前記第1のトランジスタのゲート電極としての機能を有する第1の導電層と、
前記第2の絶縁層の上面と接する領域と、前記第1の導電層の側面と接する領域と、を有する第3の絶縁層と、
前記第3の絶縁層の上方に位置する領域を有する第4の絶縁層と、
前記第4の絶縁層の上面と接する領域を有しかつ前記第2のトランジスタのチャネル形成領域としての機能を有する酸化物半導体層と、
前記第4の絶縁層の上面と接する領域と、前記酸化物半導体層の上面と接する領域と、を有しかつ前記第2のトランジスタのソース電極又はドレイン電極の一方としての機能と、前記容量素子の電極の一方としての機能と、を有する第2の導電層と、
前記第4の絶縁層の上面と接する領域と、前記酸化物半導体層の上面と接する領域と、を有しかつ前記第2のトランジスタのソース電極又はドレイン電極の他方としての機能を有する第3の導電層と、
前記酸化物半導体層の上方に位置する領域と、前記第2の導電層の上方に位置する領域と、前記第3の導電層の上方に位置する領域と、を有しかつ前記第2のトランジスタのゲート絶縁層としての機能を有する第5の絶縁層と、
前記第5の絶縁層の上面と接する領域を有しかつ前記第2のトランジスタのゲート電極としての機能を有する第4の導電層と、
前記第5の絶縁層の上面と接する領域を有しかつ前記容量素子の電極の他方としての機能を有する第5の導電層と、
前記第4の導電層の上面と接する領域と、前記第5の導電層の上面と接する領域と、を有する第6の絶縁層と、を有し、
前記第2の導電層は、前記第1の導電層と接する第1の領域を有し、
前記第1の領域は、前記第1のトランジスタのチャネル形成領域と重なる領域を有し、
前記第1の領域は、前記第5の絶縁層を介して前記第5の導電層と重なる領域を有し、
前記第3の導電層は、前記半導体層と常に導通し、
前記半導体層は、シリコンを有し、
前記第3の絶縁層は、窒素と、シリコンとを有し、
前記第4の絶縁層は、酸素と、シリコンとを有し、
前記酸化物半導体層は、Inと、Gaと、Znと、を有し、
前記酸化物半導体層は、前記第1の導電層と重なる領域を有していない半導体装置。
【請求項5】
第1のトランジスタと、第2のトランジスタと、容量素子と、を有する半導体装置であって、
第1の絶縁層と、
前記第1の絶縁層の上方に位置する領域を有しかつ前記第1のトランジスタのチャネル形成領域としての機能を有する半導体層と、
前記半導体層の上方に位置する領域を有しかつ前記第1のトランジスタのゲート絶縁層としての機能を有する第2の絶縁層と、
前記第2の絶縁層の上方に位置する領域を有しかつ前記第1のトランジスタのゲート電極としての機能を有する第1の導電層と、
前記第2の絶縁層の上面と接する領域と、前記第1の導電層の側面と接する領域と、を有する第3の絶縁層と、
前記第3の絶縁層の上方に位置する領域を有する第4の絶縁層と、
前記第4の絶縁層の上面と接する領域を有しかつ前記第2のトランジスタのチャネル形成領域としての機能を有する酸化物半導体層と、
前記第4の絶縁層の上面と接する領域と、前記酸化物半導体層の上面と接する領域と、を有しかつ前記第2のトランジスタのソース電極又はドレイン電極の一方としての機能と、前記容量素子の電極の一方としての機能と、を有する第2の導電層と、
前記第4の絶縁層の上面と接する領域と、前記酸化物半導体層の上面と接する領域と、を有しかつ前記第2のトランジスタのソース電極又はドレイン電極の他方としての機能を有する第3の導電層と、
前記酸化物半導体層の上方に位置する領域と、前記第2の導電層の上方に位置する領域と、前記第3の導電層の上方に位置する領域と、を有しかつ前記第2のトランジスタのゲート絶縁層としての機能を有する第5の絶縁層と、
前記第5の絶縁層の上面と接する領域を有しかつ前記第2のトランジスタのゲート電極としての機能を有する第4の導電層と、
前記第5の絶縁層の上面と接する領域を有しかつ前記容量素子の電極の他方としての機能を有する第5の導電層と、
前記第4の導電層の上面と接する領域と、前記第5の導電層の上面と接する領域と、を有する第6の絶縁層と、を有し、
前記第2の導電層は、前記第1の導電層と接する領域を有し、
前記第3の導電層は、前記半導体層と常に導通し、
前記半導体層は、シリコンを有し、
前記酸化物半導体層は、前記第1の導電層と重なる領域を有していない半導体装置。
【請求項6】
第1のトランジスタと、第2のトランジスタと、容量素子と、を有する半導体装置であって、
第1の絶縁層と、
前記第1の絶縁層の上方に位置する領域を有しかつ前記第1のトランジスタのチャネル形成領域としての機能を有する半導体層と、
前記半導体層の上方に位置する領域を有しかつ前記第1のトランジスタのゲート絶縁層としての機能を有する第2の絶縁層と、
前記第2の絶縁層の上方に位置する領域を有しかつ前記第1のトランジスタのゲート電極としての機能を有する第1の導電層と、
前記第2の絶縁層の上面と接する領域と、前記第1の導電層の側面と接する領域と、を有する第3の絶縁層と、
前記第3の絶縁層の上方に位置する領域を有する第4の絶縁層と、
前記第4の絶縁層の上面と接する領域を有しかつ前記第2のトランジスタのチャネル形成領域としての機能を有する酸化物半導体層と、
前記第4の絶縁層の上面と接する領域と、前記酸化物半導体層の上面と接する領域と、を有しかつ前記第2のトランジスタのソース電極又はドレイン電極の一方としての機能と、前記容量素子の電極の一方としての機能と、を有する第2の導電層と、
前記第4の絶縁層の上面と接する領域と、前記酸化物半導体層の上面と接する領域と、を有しかつ前記第2のトランジスタのソース電極又はドレイン電極の他方としての機能を有する第3の導電層と、
前記酸化物半導体層の上方に位置する領域と、前記第2の導電層の上方に位置する領域と、前記第3の導電層の上方に位置する領域と、を有しかつ前記第2のトランジスタのゲート絶縁層としての機能を有する第5の絶縁層と、
前記第5の絶縁層の上面と接する領域を有しかつ前記第2のトランジスタのゲート電極としての機能を有する第4の導電層と、
前記第5の絶縁層の上面と接する領域を有しかつ前記容量素子の電極の他方としての機能を有する第5の導電層と、
前記第4の導電層の上面と接する領域と、前記第5の導電層の上面と接する領域と、を有する第6の絶縁層と、を有し、
前記第2の導電層は、前記第1の導電層と接する第1の領域を有し、
前記第1の領域は、前記第1のトランジスタのチャネル形成領域と重なる領域を有し、
前記第1の領域は、前記第5の絶縁層を介して前記第5の導電層と重なる領域を有し、
前記第3の導電層は、前記半導体層と常に導通し、
前記半導体層は、シリコンを有し、
前記酸化物半導体層は、前記第1の導電層と重なる領域を有していない半導体装置。
【請求項7】
第1のトランジスタと、第2のトランジスタと、容量素子と、を有する半導体装置であって、
第1の絶縁層と、
前記第1の絶縁層の上方に位置する領域を有しかつ前記第1のトランジスタのチャネル形成領域としての機能を有する半導体層と、
前記半導体層の上方に位置する領域を有しかつ前記第1のトランジスタのゲート絶縁層としての機能を有する第2の絶縁層と、
前記第2の絶縁層の上方に位置する領域を有しかつ前記第1のトランジスタのゲート電極としての機能を有する第1の導電層と、
前記第2の絶縁層の上面と接する領域と、前記第1の導電層の側面と接する領域と、を有する第3の絶縁層と、
前記第3の絶縁層の上方に位置する領域を有する第4の絶縁層と、
前記第4の絶縁層の上面と接する領域を有しかつ前記第2のトランジスタのチャネル形成領域としての機能を有する酸化物半導体層と、
前記第4の絶縁層の上面と接する領域と、前記酸化物半導体層の上面と接する領域と、を有しかつ前記第2のトランジスタのソース電極又はドレイン電極の一方としての機能と、前記容量素子の電極の一方としての機能と、を有する第2の導電層と、
前記第4の絶縁層の上面と接する領域と、前記酸化物半導体層の上面と接する領域と、を有しかつ前記第2のトランジスタのソース電極又はドレイン電極の他方としての機能を有する第3の導電層と、
前記酸化物半導体層の上方に位置する領域と、前記第2の導電層の上方に位置する領域と、前記第3の導電層の上方に位置する領域と、を有しかつ前記第2のトランジスタのゲート絶縁層としての機能を有する第5の絶縁層と、
前記第5の絶縁層の上面と接する領域を有しかつ前記第2のトランジスタのゲート電極としての機能を有する第4の導電層と、
前記第5の絶縁層の上面と接する領域を有しかつ前記容量素子の電極の他方としての機能を有する第5の導電層と、
前記第4の導電層の上面と接する領域と、前記第5の導電層の上面と接する領域と、を有する第6の絶縁層と、を有し、
前記第2の導電層は、前記第1の導電層と接する領域を有し、
前記第3の導電層は、前記半導体層と常に導通し、
前記半導体層は、シリコンを有し、
前記第3の絶縁層は、窒素と、シリコンとを有し、
前記第4の絶縁層は、酸素と、シリコンとを有し、
前記酸化物半導体層は、前記第1の導電層と重なる領域を有していない半導体装置。
【請求項8】
第1のトランジスタと、第2のトランジスタと、容量素子と、を有する半導体装置であって、
第1の絶縁層と、
前記第1の絶縁層の上方に位置する領域を有しかつ前記第1のトランジスタのチャネル形成領域としての機能を有する半導体層と、
前記半導体層の上方に位置する領域を有しかつ前記第1のトランジスタのゲート絶縁層としての機能を有する第2の絶縁層と、
前記第2の絶縁層の上方に位置する領域を有しかつ前記第1のトランジスタのゲート電極としての機能を有する第1の導電層と、
前記第2の絶縁層の上面と接する領域と、前記第1の導電層の側面と接する領域と、を有する第3の絶縁層と、
前記第3の絶縁層の上方に位置する領域を有する第4の絶縁層と、
前記第4の絶縁層の上面と接する領域を有しかつ前記第2のトランジスタのチャネル形成領域としての機能を有する酸化物半導体層と、
前記第4の絶縁層の上面と接する領域と、前記酸化物半導体層の上面と接する領域と、を有しかつ前記第2のトランジスタのソース電極又はドレイン電極の一方としての機能と、前記容量素子の電極の一方としての機能と、を有する第2の導電層と、
前記第4の絶縁層の上面と接する領域と、前記酸化物半導体層の上面と接する領域と、を有しかつ前記第2のトランジスタのソース電極又はドレイン電極の他方としての機能を有する第3の導電層と、
前記酸化物半導体層の上方に位置する領域と、前記第2の導電層の上方に位置する領域と、前記第3の導電層の上方に位置する領域と、を有しかつ前記第2のトランジスタのゲート絶縁層としての機能を有する第5の絶縁層と、
前記第5の絶縁層の上面と接する領域を有しかつ前記第2のトランジスタのゲート電極としての機能を有する第4の導電層と、
前記第5の絶縁層の上面と接する領域を有しかつ前記容量素子の電極の他方としての機能を有する第5の導電層と、
前記第4の導電層の上面と接する領域と、前記第5の導電層の上面と接する領域と、を有する第6の絶縁層と、を有し、
前記第2の導電層は、前記第1の導電層と接する第1の領域を有し、
前記第1の領域は、前記第1のトランジスタのチャネル形成領域と重なる領域を有し、
前記第1の領域は、前記第5の絶縁層を介して前記第5の導電層と重なる領域を有し、
前記第3の導電層は、前記半導体層と常に導通し、
前記半導体層は、シリコンを有し、
前記第3の絶縁層は、窒素と、シリコンとを有し、
前記第4の絶縁層は、酸素と、シリコンとを有し、
前記酸化物半導体層は、前記第1の導電層と重なる領域を有していない半導体装置。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
開示する発明は、半導体素子を利用した半導体装置およびその作製方法に関するものであ
る。また、当該半導体装置の駆動方法に関するものである。
続きを表示(約 1,700 文字)
【背景技術】
【0002】
半導体素子を利用した記憶装置は、電力の供給がなくなると記憶内容が失われる揮発性の
ものと、電力の供給がなくなっても記憶内容は保持される不揮発性のものとに大別される
。
【0003】
揮発性記憶装置の代表的な例としては、DRAM(Dynamic Random Ac
cess Memory)がある。DRAMは、記憶素子を構成するトランジスタを選択
してキャパシタに電荷を蓄積することで、情報を記憶する。
【0004】
上述の原理から、DRAMでは、情報を読み出すとキャパシタの電荷は失われるため、情
報の読み出しの度に、再度の書き込み動作が必要となる。また、記憶素子を構成するトラ
ンジスタにおいてはオフ状態でのソースとドレイン間のリーク電流(オフ電流)等によっ
て、トランジスタが選択されていない状況でも電荷が流出、または流入するため、データ
の保持期間が短い。このため、所定の周期で再度の書き込み動作(リフレッシュ動作)が
必要であり、消費電力を十分に低減することは困難である。また、電力の供給がなくなる
と記憶内容が失われるため、長期間の記憶の保持には、磁性材料や光学材料を利用した別
の記憶装置が必要となる。
【0005】
揮発性記憶装置の別の例としてはSRAM(Static Random Access
Memory)がある。SRAMは、フリップフロップなどの回路を用いて記憶内容を
保持するため、リフレッシュ動作が不要であり、この点においてはDRAMより有利であ
る。しかし、フリップフロップなどの回路を用いているため、記憶容量あたりの単価が高
くなるという問題がある。また、電力の供給がなくなると記憶内容が失われるという点に
ついては、DRAMと変わるところはない。
【0006】
不揮発性記憶装置の代表例としては、フラッシュメモリがある。フラッシュメモリは、ト
ランジスタのゲート電極とチャネル形成領域との間にフローティングゲートを有し、当該
フローティングゲートに電荷を保持させることで記憶を行うため、データの保持期間は極
めて長く(半永久的)、揮発性記憶装置で必要なリフレッシュ動作が不要であるという利
点を有している(例えば、特許文献1参照)。
【0007】
しかし、書き込みの際に生じるトンネル電流によって記憶素子を構成するゲート絶縁層が
劣化するため、所定回数の書き込みによって記憶素子が機能しなくなるという問題が生じ
る。この問題の影響を緩和するために、例えば、各記憶素子の書き込み回数を均一化する
手法が採られるが、これを実現するためには、複雑な周辺回路が必要になってしまう。そ
して、このような手法を採用しても、根本的な寿命の問題が解消するわけではない。つま
り、フラッシュメモリは、情報の書き換え頻度が高い用途には不向きである。
【0008】
また、フローティングゲートに電荷を注入させるため、または、その電荷を除去するため
には、高い電圧が必要であり、また、そのための回路も必要である。さらに、電荷の注入
、または除去のためには比較的長い時間を要し、書き込みまたは消去の高速化が容易では
ないという問題もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0009】
特開昭57-105889号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
上述の問題に鑑み、開示する発明の一態様では、電力が供給されない状況でも記憶内容の
保持が可能で、かつ、書き込み回数にも制限が無い、新たな構造の半導体装置を提供する
ことを目的の一とする。
【課題を解決するための手段】
(【0011】以降は省略されています)
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