JPH05226374A - Semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device

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JPH05226374A
JPH05226374A JP4028301A JP2830192A JPH05226374A JP H05226374 A JPH05226374 A JP H05226374A JP 4028301 A JP4028301 A JP 4028301A JP 2830192 A JP2830192 A JP 2830192A JP H05226374 A JPH05226374 A JP H05226374A
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JP
Japan
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layer
doped
gaas
gate electrode
gainas
Prior art date
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Pending
Application number
JP4028301A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Nobuchika Kuwata
展周 桑田
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Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • HELECTRICITY
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    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/76Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/772Field effect transistors
    • H01L29/80Field effect transistors with field effect produced by a PN or other rectifying junction gate, i.e. potential-jump barrier
    • H01L29/812Field effect transistors with field effect produced by a PN or other rectifying junction gate, i.e. potential-jump barrier with a Schottky gate

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Abstract

PURPOSE:To provide a rapid operating transistor having the characteristics of the wide operational range and the high gain. CONSTITUTION:This transistor has a three layer structured channel layer wherein undoped GaInAs layers 130a, 130b are arranged above and below a GaAs layer 140 including at least one delta doped layer (n type). Next, a cap layer 150, a buffer layer 120 are provided abobe and below the three layer structure on a substrate 110. Finally, a gate electrode 340 as well as a source region 350a, a drain region 350b, a source electrode 360 and a drain electrode 370 are self-matchingly formed with the gate electrode 340.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は半導体、特に低雑音でか
つ高速で動作するヘテロ接合電界効果トランジスタ及び
このFETを用いたマイクロ波用のモノリシック集積回
路(MMIC)に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor, and more particularly to a low noise and high speed operation heterojunction field effect transistor and a monolithic integrated circuit (MMIC) for microwaves using the FET.

【0002】[0002]

【従来の技術】低雑音かつ、高速で動作するトランジス
タとして、選択ドープヘテロ接合を用いたヘテロ接合電
界効果トランジスタ(または、高電子移動度トランジス
タ(HEMT))が提案されている。図4は、代表的な
AlGaAs/GaAs系の高電子移動度トランジスタ
の構造を示したものである。その構造はつぎのようにな
っている。
2. Description of the Related Art A heterojunction field effect transistor (or a high electron mobility transistor (HEMT)) using a selectively doped heterojunction has been proposed as a transistor operating at low speed with low noise. FIG. 4 shows the structure of a typical AlGaAs / GaAs high electron mobility transistor. Its structure is as follows.

【0003】半絶縁性GaAs基板110上には、ノン
ドープGaAs層210が作製され、このGaAs層2
10上にGaAsよりも電子親和力が小さいAlGaA
s層(ノンドープAlGaAsスペーサ層220)が形
成されている。AlGaAs層は、ノンドープAlGa
Asスペーサ層220とn型ドーパント(Si,Seな
どの元素)をドーピングしたAlGaAs層230とで
構成され、これらがGaAs210上に形成されてい
る。AlGaAs層上にはゲート電極250が設けら
れ、このゲート電極250を挾んでSi−GaAsコン
タクト層260上にソース電極270とドレイン電極2
80とが設けられている。この電極構造は、ゲート電極
が溝(リセス)の底にあるため、リセス型構造と呼ば
れ、HEMTでは一般的なゲート電極構造である。この
ような構造により、AlGaAs/GaAs界面のGa
As側に2次元電子ガス240が形成され、これがドレ
イン−ソース間のチャネル(電流経路)になる。そし
て、2次元電子ガス240の濃度がゲート電極250で
制御され、ソース電極270とドレイン電極280との
間の電流が変調される。
A non-doped GaAs layer 210 is formed on the semi-insulating GaAs substrate 110.
AlGaA, which has a smaller electron affinity than GaAs on 10
An s layer (non-doped AlGaAs spacer layer 220) is formed. The AlGaAs layer is non-doped AlGa
It is composed of an As spacer layer 220 and an AlGaAs layer 230 doped with an n-type dopant (an element such as Si or Se), and these are formed on the GaAs 210. A gate electrode 250 is provided on the AlGaAs layer, and the source electrode 270 and the drain electrode 2 are sandwiched between the gate electrode 250 and the Si-GaAs contact layer 260.
And 80 are provided. This electrode structure is called a recess type structure because the gate electrode is at the bottom of the groove (recess), and is a general gate electrode structure in HEMT. With such a structure, Ga at the AlGaAs / GaAs interface is
A two-dimensional electron gas 240 is formed on the As side, and this serves as a channel (current path) between the drain and the source. Then, the concentration of the two-dimensional electron gas 240 is controlled by the gate electrode 250, and the current between the source electrode 270 and the drain electrode 280 is modulated.

【0004】一方、HEMT以外の構造を持ち、低雑音
かつ、高速で動作するトランジスタとして、電子情報通
信学会研究会資料ED89−152等でパルスドープM
ESFETが報告されている。パルスドープMESFE
Tは、SiパルスドープGaAs層をそのチャネルに用
いたもので、図5のような構造を有している。その構造
はつぎのようになっている。
On the other hand, as a transistor having a structure other than HEMT and operating at a low noise and at a high speed, a pulse-doped M is used in the Institute of Electronics, Information and Communication Engineers ED89-152, etc.
ESFETs have been reported. Pulse dope MESFE
T uses a Si pulse-doped GaAs layer for its channel and has a structure as shown in FIG. Its structure is as follows.

【0005】半絶縁性GaAs基板110上に、キャリ
アの導電型p型(〜5×1015cm-3)のノンドープG
aAsバッファ層310が形成され、SiドープGaA
s(4×1018cm-3)320が100オングストロー
ム形成されている。SiドープGaAsチャネル層32
0上に、キャリアの導電型がn型(〜1×1015
-3)のノンドープGaAsキャップ層330が形成さ
れている。このようなパルスドープ構造上に、ゲート電
極340とゲート電極に対して、自己整合的に形成され
たn+ イオン注入層350a,bと、ソース電極36
0、ドレイン電極370が形成されている。この電極構
造は、ゲート電極が平坦(プラナー)であるため、プラ
ナー型構造と呼ばれる。
On a semi-insulating GaAs substrate 110, carrier conductivity type p-type (up to 5 × 10 15 cm −3 ) non-doped G is used.
The aAs buffer layer 310 is formed, and Si-doped GaA is formed.
The s (4 × 10 18 cm −3 ) 320 has a thickness of 100 Å. Si-doped GaAs channel layer 32
0, the carrier conductivity type is n-type (up to 1 × 10 15 c
m −3 ) non-doped GaAs cap layer 330 is formed. On such a pulse-doped structure, the gate electrode 340, the n + ion implantation layers 350a and 350b self-aligned with the gate electrode, and the source electrode 36 are formed.
0, the drain electrode 370 is formed. This electrode structure is called a planar structure because the gate electrode is flat (planar).

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】図3には、AlGaA
s/GaAs系HEMT及びパルスドープMESFET
の特性の1例が示されている。この図は、ゲート長0.
3μmの素子を用いた場合の伝達コンダクタンス(g
m)のゲートバイアス依存性を示したものである。パル
スドープMESFETは、ゲートバイアスに対して、伝
達コンダクタンスgmが台地状のプロファイル(破線)
を持ち、バイアス点が多少ずれても、伝達コンダクタン
スgmの変化が小さいという特長をもつが、伝達コンダ
クタンスgm自体の値が、HEMTに比べ低い。また、
低雑音素子として重要である閾値(Vth)近傍のゲー
トバイアスにおける伝達コンダクタンスgmの立ち上が
りの急峻性がHEMTに比べ劣っている。
FIG. 3 shows AlGaA.
s / GaAs HEMT and pulse-doped MESFET
An example of the characteristics of is shown. This figure shows that the gate length is 0.
Transfer conductance (g when using 3 μm element)
It shows the gate bias dependence of m). In the pulse-doped MESFET, the transfer conductance gm is a terrace-like profile with respect to the gate bias (broken line).
And has a characteristic that the change of the transfer conductance gm is small even if the bias point is slightly deviated, but the value of the transfer conductance gm itself is lower than that of the HEMT. Also,
The steepness of rising of the transfer conductance gm in the gate bias near the threshold (Vth), which is important as a low noise element, is inferior to that of the HEMT.

【0007】一方、HEMTは、伝達コンダクタンスg
mの立ち上がりが急峻で、最大値も高いが、ゲートバイ
アスに対して、ピーク状のプロファイル(一点鎖線)を
持ち、バイアス点が多少ずれると、伝達コンダクタンス
gmが大きく低下してしまう。このHEMTの伝達コン
ダクタンスgmがゲートバイアスの浅い側で低下するの
は、2次元電子の一部が電子の走行速度の低いAlGa
As層に遷移する、実空間遷移と呼ばれる現象に起因し
ている。この伝達コンダクタンスgmのピーク状プロフ
ァイルは、HEMTを用いて集積回路(IC)を作製す
る場合に、設計マージンが小さく、集積回路の歩留まり
が低いといった不都合を招く。また、HEMT構造で
は、AlGaAs/GaAs界面の急峻性が重要である
ため、自己整合イオン注入による、プラナー型ゲート電
極が採用されない。即ち、イオン注入したSiを活性化
するために、高温にてアニールする必要があり、このア
ニール工程において、AlGaAs層中のAlがGaA
s層に拡散すると、電子の移動度、及び、飽和速度が大
きく低下するからである。よって、HEMTにおけるゲ
ート電極は一般にリセス型であり、このリセスを形成す
る際のエッチング工程でのリセスの深さのばらつきが、
Vthのばらつきとなる。このようにプロセスマージン
の面からも、集積回路を構成するデバイスとして、従来
のHEMTは必ずしも適していなかった。
On the other hand, HEMT has a transfer conductance g
Although the rise of m is steep and the maximum value is also high, it has a peak-shaped profile (dashed line) with respect to the gate bias, and if the bias point is slightly deviated, the transfer conductance gm is greatly reduced. The transfer conductance gm of the HEMT decreases on the shallow side of the gate bias because a part of the two-dimensional electrons is AlGa whose electron traveling speed is low.
This is due to a phenomenon called a real space transition that transits to the As layer. This peak-shaped profile of the transfer conductance gm causes a disadvantage that a design margin is small and the yield of the integrated circuit is low when the integrated circuit (IC) is manufactured using the HEMT. Further, in the HEMT structure, since the steepness of the AlGaAs / GaAs interface is important, the planar type gate electrode by self-aligned ion implantation is not adopted. That is, in order to activate the ion-implanted Si, it is necessary to anneal at a high temperature. In this annealing step, Al in the AlGaAs layer is changed to GaA.
This is because the mobility of electrons and the saturation speed are significantly reduced when they diffuse into the s layer. Therefore, the gate electrode in the HEMT is generally of the recess type, and variations in the depth of the recess in the etching process when forming the recess are
It becomes the variation of Vth. Thus, in terms of process margin as well, the conventional HEMT is not always suitable as a device that constitutes an integrated circuit.

【0008】以上のような不都合に鑑み、本発明はなさ
れたものであり、パルスドープMESFET(広い動作
範囲)とHEMT(高利得)の特長を合わせ持つ高速の
トランジスタを提供するものである。
In view of the above inconveniences, the present invention has been made, and provides a high-speed transistor having the features of a pulse-doped MESFET (wide operating range) and HEMT (high gain).

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の半導体装置は、ドレイン−ソース間のチャ
ネル(電流経路)に流れる電流の制御がゲート電極に加
える電圧によってなされる半導体装置(例えば、電界効
果トランジスタ(FET),FETを含んで構成される
モノリシック集積回路)であって、n型ドーパント(例
えば、Si,Se,S,Teなど)を含む少なくとも1
つの2次元状の層及びこの2次元状の層それぞれを挟む
ノンドープ層(ドーパントを添加しない層。不純物が混
入する場合を含む)からなるGaAs層と、このGaA
s層を挟むノンドープGaInAs層とで構成されたチ
ャネル層を有し、ゲート電極に電気的につながれ、Ga
InAsよりもバンドギャップの大きいノンドープの半
導体(例えば、GaAs,GaInP,AlGaAsな
ど)からなるキャップ層と、GaInAsよりもバンド
ギャップの大きいノンドープの半導体からなるバッファ
層とをチャネル層の両側に備えたことを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problems, the semiconductor device of the present invention is a semiconductor device in which the current flowing in a channel (current path) between a drain and a source is controlled by a voltage applied to a gate electrode. (For example, a field effect transistor (FET), a monolithic integrated circuit including an FET), and at least one including an n-type dopant (eg, Si, Se, S, Te, etc.)
GaAs layer composed of two two-dimensional layers and non-doped layers sandwiching the two-dimensional layers (layers to which no dopant is added, including the case where impurities are mixed) and the GaA
It has a channel layer composed of a non-doped GaInAs layer sandwiching the s layer and is electrically connected to the gate electrode.
A cap layer made of a non-doped semiconductor having a band gap larger than InAs (for example, GaAs, GaInP, AlGaAs, etc.) and a buffer layer made of a non-doped semiconductor having a band gap larger than GaInAs were provided on both sides of the channel layer. Is characterized by.

【0010】ノンドープGaInAs層のInの組成
が、連続的或いはステップ状の変化を有することを特徴
としても良い。
The composition of In of the non-doped GaInAs layer may have a continuous or stepwise change.

【0011】チャネルの両端近傍まで不純物が導入され
て形成されたドレイン領域及びソース領域を有すること
を特徴としても良い。
It may be characterized in that it has a drain region and a source region formed by introducing impurities to the vicinity of both ends of the channel.

【0012】[0012]

【作用】本発明の半導体装置では、n型ドーパントを含
む2次元状の層を少くとも1つ含むGaAs層と、直下
のGaInAsのヘテロ界面近傍には2次元電子ガスが
形成される。2次元電子ガスの電子は非常に高い飽和速
度を持つため、非常に高速で動作する。また、GaIn
As層とGaInAsよりもバンドギャップの大きな半
導体からなるバッファ層でヘテロ接合が形成され、この
ヘテロ界面には伝導帯のエネルギー障壁が形成される。
そのため、2次元電子ガスの電子はバッファ層に流れ込
みにくくなり、スレショールド電圧Vth近傍のゲートバ
イアスにおける伝達コンダクタンスgmの立ち上がりは
急峻なものになる。
In the semiconductor device of the present invention, the two-dimensional electron gas is formed in the vicinity of the GaAs layer containing at least one two-dimensional layer containing the n-type dopant and the GaInAs hetero interface immediately below. Since the electrons of the two-dimensional electron gas have a very high saturation velocity, they operate at a very high speed. In addition, GaIn
A heterojunction is formed by the As layer and a buffer layer made of a semiconductor having a band gap larger than that of GaInAs, and a conduction band energy barrier is formed at this hetero interface.
Therefore, the electrons of the two-dimensional electron gas are less likely to flow into the buffer layer, and the transfer conductance gm rises sharply in the gate bias near the threshold voltage V th .

【0013】また、チャネル層は、n型ドーパントを含
む2次元状の層及びノンドープGaAs層の積層構造を
有しているので、ドレイン電流を増大させるゲートバイ
アス(正電圧バイアス)を与えた際に、2次元電子の一
部が実空間遷移しGaAs層に飛び込んでも、従来のS
iドープAlGaAs層を用いているHEMTに比べて
電子の移動度、飽和速度の低下が押さえられる。さら
に、GaAs層上のGaInAs層の量子井戸に、Ga
As層に実空間遷移した電子が落ち込み、2次元電子ガ
スを形成するので、従来のHEMT特有の、ゲートバイ
アスの正電圧側での伝達コンダクタンスgmの急激な低
下が防止される。
Further, since the channel layer has a laminated structure of a two-dimensional layer containing an n-type dopant and a non-doped GaAs layer, when a gate bias (positive voltage bias) for increasing drain current is applied. Even if some of the two-dimensional electrons make a real space transition and jump into the GaAs layer, the conventional S
As compared with HEMTs using an i-doped AlGaAs layer, lowering of electron mobility and saturation speed can be suppressed. Further, in the quantum well of the GaInAs layer on the GaAs layer, Ga
Since electrons that have transited to the real space in the As layer fall into a two-dimensional electron gas, a sharp decrease in the transfer conductance gm on the positive voltage side of the gate bias, which is peculiar to the conventional HEMT, is prevented.

【0014】[0014]

【実施例】本発明の実施例を図面を参照して説明する。
前述の従来例と同一または同等のものについてはその説
明を簡略化し若しくは省略するものとする。また、ドー
プとは不純物を添加することを、ノンドープとは不純物
を添加しないことを示す。
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
Description of the same or equivalent elements as those of the above-mentioned conventional example will be simplified or omitted. Further, “doped” means that impurities are added, and “non-doped” means that impurities are not added.

【0015】図1には、本発明を電界効果トランジスタ
(FET)に適用した実施例が示されている。このトラ
ンジスタの特長は、デルタドープ層(n型)を少なくと
も1つ含むGaAs層140の上下にノンドープのGa
InAs層130a,130bを配置した3層構造のチ
ャネル層を有する事である。ここで、デルタドープ層と
は不純物を面状にドーピングした薄い層であって、その
上下の層に対しほぼステップ状の不純物分布を持つ層の
ことである。
FIG. 1 shows an embodiment in which the present invention is applied to a field effect transistor (FET). The feature of this transistor is that undoped Ga is formed above and below a GaAs layer 140 including at least one delta-doped layer (n-type).
This is to have a channel layer having a three-layer structure in which the InAs layers 130a and 130b are arranged. Here, the delta-doped layer is a thin layer in which impurities are planarly doped, and has a stepwise impurity distribution with respect to the upper and lower layers.

【0016】この三層構造のチャネル層の上下(ノンド
ープGaInAs層130a,130bの上下)には、
ノンドープのGaAs層であるキャップ層150、バッ
ファ層120が設けられ、基板110上に形成されてい
る。そして、パルスドープMESFETと同様、ゲート
電極340と、ゲート電極に対して自己整合的に形成さ
れたn+ イオン注入層(ソース領域,ドレイン領域)3
50a,b,ソース電極360,ドレイン電極370が
形成されている。
Above and below the channel layer of this three-layer structure (above and below the non-doped GaInAs layers 130a and 130b),
A cap layer 150 and a buffer layer 120, which are non-doped GaAs layers, are provided and formed on the substrate 110. Then, similarly to the pulse-doped MESFET, the gate electrode 340 and the n + ion implantation layer (source region, drain region) 3 formed in self-alignment with the gate electrode 3
50a, 50b, a source electrode 360, and a drain electrode 370 are formed.

【0017】このトランジスタの伝達コンダクタンスg
m特性は、図3の実線に示されるものになる。スレショ
ルドレベルVth近傍の伝達コンダクタンスgmの立ち
上がりがパルスドープMESFETよりも急峻で、また
伝達コンダクタンスgmはHEMTのようにピーク状の
プロファイルではなく、ゲートバイアスを+側に振り込
んでも伝達コンダクタンスgmの急激な低下は抑制する
ことができ、かつ全体的にパルスドープMESFETよ
りも伝達コンダクタンスgmの値が高い。即ち、前述の
パルスドープMESFETの広い動作範囲とHEMTの
高利得を合わせ持つ特性になっている。これに付いては
つぎの点によるものと思われる。
The transfer conductance g of this transistor
The m characteristic is as shown by the solid line in FIG. The rise of the transfer conductance gm in the vicinity of the threshold level Vth is steeper than that of the pulse-doped MESFET, and the transfer conductance gm does not have a peak-shaped profile as in the HEMT. It can be suppressed, and the value of the transfer conductance gm is higher than that of the pulse-doped MESFET as a whole. That is, the characteristics are such that the wide operating range of the pulse-doped MESFET and the high gain of HEMT are combined. This is probably due to the following points.

【0018】このトランジスタは3層構造のチャネル層
をチャネルとしており、GaAs層140及びGaIn
As層130aの界面と、キャップ層150(GaA
s)及びGaInAs層130bの界面とには2次元電
子ガスが形成される。2次元電子ガスの電子は、パルス
ドープGaAs層中を走行するよりも、高い飽和速度を
持つ。そのため応答速度即ち動作速度が速いものにな
る。ソース電極360,ドレイン電極370の間に流れ
る電流即ち2次元電子ガスの電子の走行の制御は、ゲー
ト電極340に加える電圧によってこの界面のバンド構
造を制御することでなされる。これによって前述のHE
MTと同等の高速性がえられる。
This transistor uses a channel layer having a three-layer structure as a channel, and includes a GaAs layer 140 and a GaIn layer.
The interface of the As layer 130a and the cap layer 150 (GaA
s) and the interface of the GaInAs layer 130b form a two-dimensional electron gas. The electrons of the two-dimensional electron gas have a higher saturation velocity than those in the pulse-doped GaAs layer. Therefore, the response speed, that is, the operation speed is high. The current flowing between the source electrode 360 and the drain electrode 370, that is, the traveling of the electrons of the two-dimensional electron gas is controlled by controlling the band structure of this interface by the voltage applied to the gate electrode 340. This allows the above-mentioned HE
The same high speed as MT can be obtained.

【0019】GaInAs層130aとバッファ層12
0(GaAs)とのヘテロ界面には、そのバンド構造の
違いにより、伝導帯にエネルギー障壁が形成されてい
る。このエネルギー障壁によって電子はバッファ層12
0に流れ込みにくくなるため、ゲートバイアスがスレシ
ョールドレベルVth近傍では、伝達コンダクタンスg
mの立ち上がりが急峻になっている。この点が前述のパ
ルスドープMESFETとの特性上の違いを生じさせて
いる。
The GaInAs layer 130a and the buffer layer 12
At the hetero interface with 0 (GaAs), an energy barrier is formed in the conduction band due to the difference in the band structure. Due to this energy barrier, the electrons are buffer layer 12
Since it is difficult for the gate bias to flow into 0, the transfer conductance g is near the gate bias in the vicinity of the threshold level Vth.
The rising edge of m is steep. This point causes a difference in characteristics from the above-mentioned pulse-doped MESFET.

【0020】また、ドレイン電流を増大させるゲートバ
イス点即ちゲートバイアスを+側に振り込んだバイアス
点において、GaInAs層130aの2次元電子の一
部が実空間遷移しGaAs層140に飛び込んでも、前
述のHEMTのSiドープAlGaAs層ほど電子の移
動度、飽和速度は低下しない。GaAs層140が不純
物をデルタドープした層を含むGaAs層であるからで
ある。さらに、GaAs層140の直下にはGaInA
s層130bが設けられており、電子は伝導体のポテン
シャルの低いGaInAs層130bに流れ込み、2次
元電子となる。このようにして、従来のHEMT特有の
伝達コンダクタンスgmの急激な低下が防止され、ゲー
トバイアスに対し広い動作範囲をもつものになってい
る。
Further, even if a part of the two-dimensional electrons of the GaInAs layer 130a make a real space transition and jump into the GaAs layer 140 at the gate bias point for increasing the drain current, that is, the bias point in which the gate bias is swung to the + side, the above-mentioned effect occurs. The mobility and saturation rate of electrons do not decrease as much as the Si-doped AlGaAs layer of HEMT. This is because the GaAs layer 140 is a GaAs layer including a layer in which impurities are delta-doped. Furthermore, GaInA is formed directly below the GaAs layer 140.
Since the s layer 130b is provided, the electrons flow into the GaInAs layer 130b, which has a low conductor potential, and become two-dimensional electrons. In this way, a sharp decrease in the transfer conductance gm peculiar to the conventional HEMT is prevented, and a wide operating range with respect to the gate bias is provided.

【0021】また、ゲート電極がプラナー構造を有する
ので、集積回路を構成するトランジスタとして非常に適
している。
Further, since the gate electrode has a planar structure, it is very suitable as a transistor constituting an integrated circuit.

【0022】つぎに、図1のトランジスタの製造工程に
付いて説明する。
Next, the manufacturing process of the transistor of FIG. 1 will be described.

【0023】まず、有機金属気相成長法(OMVPE
法)、または分子線エピタキシ法(MBE法)等を用い
て、半絶縁性GaAs基板110上に、キャリアの導電
型p型(〜5×1015cm-3)のノンドープのGaAs
からなるバッファ層120を10000オングストロー
ム形成する。続いて、バッファ層120上に、キャリア
の導電型がn型(〜5×1015cm-3)のノンドープの
Ga0.72In0.18AsからなるGaInAs層130a
を80オングストローム形成する。引き続き、キャリア
の導電型がn型(〜1×1015cm-3)のノンドープG
aAs層140a1 を25オングストローム形成する。
(図2(a))。
First, metal organic chemical vapor deposition (OMVPE)
Method) or a molecular beam epitaxy method (MBE method) or the like on the semi-insulating GaAs substrate 110, and is a carrier conductivity type p-type (up to 5 × 10 15 cm −3 ) non-doped GaAs.
The buffer layer 120 made of 10000 angstrom is formed. Then, on the buffer layer 120, a GaInAs layer 130a made of non-doped Ga 0.72 In 0.18 As whose carrier conductivity type is n-type (up to 5 × 10 15 cm −3 ).
To 80 angstroms. Subsequently, non-doped G in which the conductivity type of the carrier is n-type (up to 1 × 10 15 cm −3 ).
The aAs layer 140a 1 is formed to 25 angstroms.
(FIG. 2 (a)).

【0024】ノンドープGaAs層140a1 上に、S
i、Se等のn型の不純物をデルタドープしたデルタド
ープ層140b1 を形成する。続いて、キャリアの導電
型n型(〜1×1015cm-3)のノンドープGaAs層
140a2 を25オングストローム形成する。同様の工
程を繰り返して、デルタドープ層140b2 とノンドー
プGaAs層140a3 を形成する。その後、ノンドー
プGaAs層140a3 上にキャリアの導電型がn型
(〜1×1015cm-3)のノンドープGa0.80In0.20
AsからなるGaInAs層130bを100オングス
トローム形成する。引き続き、キャリアの導電型がn型
(〜1×1015cm-3)のノンドープGaAsからなる
キャップ層150を300オングストローム形成する
(図2(b))。
On the non-doped GaAs layer 140a 1 , S
A delta-doped layer 140b 1 is formed by delta-doping n-type impurities such as i and Se. Subsequently, a non-doped GaAs layer 140a 2 of carrier conductivity type n type (˜1 × 10 15 cm −3 ) is formed in a thickness of 25 Å. Similar steps are repeated to form the delta-doped layer 140b 2 and the non-doped GaAs layer 140a 3 . Thereafter, an undoped Ga 0.80 an In 0.20 of the non-doped GaAs layer 140a 3 conductive carrier is n-type on (~1 × 10 15 cm -3)
A GaInAs layer 130b made of As is formed to 100 angstrom. Subsequently, a cap layer 150 made of non-doped GaAs whose carrier conductivity type is n type (up to 1 × 10 15 cm −3 ) is formed in a thickness of 300 Å (FIG. 2B).

【0025】図2(b)のエピ構造上に、ゲート電極3
40を形成する。そして、n+ イオンの注入層(ソース
領域,ドレイン領域)350a,bと、ソース電極36
0、ドレイン電極370をゲート電極340に対して自
己整合的(セルフアラインメント)に形成してトランジ
スタが完成する(図2(c))。
The gate electrode 3 is formed on the epi structure of FIG.
40 is formed. Then, the n + ion implantation layers (source region and drain region) 350a and 350b and the source electrode 36
0, the drain electrode 370 is formed in self alignment with the gate electrode 340 (self alignment), and the transistor is completed (FIG. 2C).

【0026】この製造工程では、イオン注入後のアニー
ル工程においても、チャネルの材料としてAl含む化合
物半導体を用いていないので、電子の移動度、飽和速度
の劣化が抑制されている。
In this manufacturing process, since the compound semiconductor containing Al is not used as the material of the channel even in the annealing process after the ion implantation, the deterioration of the electron mobility and the saturation speed is suppressed.

【0027】このように、HEMTおよびパルスドープ
MESFETのそれぞれの長所を併せ持つ特性を有する
トランジスタを得ることができるので、低雑音素子・高
周波素子・高速素子として用いると有用である。また、
集積化に適したエビ構造、電極構造にすることができる
ので、例えばMMICを構成するトランジスタとして用
いると有用である。
As described above, a transistor having the characteristics of HEMT and pulse-doped MESFET can be obtained. Therefore, it is useful as a low noise element, high frequency element, or high speed element. Also,
Since it can have a shrimp structure and an electrode structure suitable for integration, it is useful when used as a transistor forming an MMIC, for example.

【0028】本発明は前述の実施例に限らず様々な変形
が可能である。
The present invention is not limited to the above-described embodiment, but various modifications can be made.

【0029】例えば、キャップ層及びバッファ層は、ノ
ンドープGaAs層の単層構造の場合について説明した
が、AlGaAs、GaInP等の化合物半導体の単層
またはこれらの化合物半導体GaAsを組合わせた、積
層構造としても良い。
For example, although the cap layer and the buffer layer have been described as having a single layer structure of a non-doped GaAs layer, they have a single layer of a compound semiconductor such as AlGaAs or GaInP or a laminated structure of a combination of these compound semiconductor GaAs. Is also good.

【0030】また、チャネル層中のデルタドープ層は所
望のスレショルドレベルVthのトランジスタが得られ
るように、何層か形成することができる。
The delta-doped layer in the channel layer can be formed in several layers so that a transistor having a desired threshold level Vth can be obtained.

【0031】そして、ゲート電極構造についても、自己
整合イオン注入を用い、プラナー構造としたが、化合物
半導体のコンタクト層(SiドープGaAs層、Siド
ープGaInAs層等)を有するような、リセス構造
(図4)のようにしても良い。
The gate electrode structure is also a planar structure using self-aligned ion implantation, but it has a recess structure (FIG. 3) having a contact layer of a compound semiconductor (Si-doped GaAs layer, Si-doped GaInAs layer, etc.). You may do like 4).

【0032】さらに、チャネル層のGaInAs層につ
いても、In組成をGaInAs層内で連続的、ステッ
プ状に変化させる構造をもたせても良い。このようにす
ると、GaAsとGaInAsの結晶格子の格子不整が
緩和され、電子の移動度が改善するという利点がある。
Further, the GaInAs layer of the channel layer may also have a structure in which the In composition is continuously and stepwise changed in the GaInAs layer. This has the advantage that the lattice mismatch of the crystal lattice of GaAs and GaInAs is relaxed and the electron mobility is improved.

【0033】化学組成についても、GaInAsは一般
式で示せばGa1-x Inx As(x>0)と表現される
物質を、AlGaAsはAlm Ga1-m As(m>0)
と表現される物質を、GaInPはGar In1-r
(r≧0)と表現される物質を用い得る。
Regarding the chemical composition, GaInAs is a substance expressed by the general formula as Ga 1-x In x As (x> 0), and AlGaAs is Al m Ga 1-m As (m> 0).
GaInP is a substance expressed as “Ga r In 1-r P”
A substance expressed as (r ≧ 0) can be used.

【0034】[0034]

【発明の効果】以上の通り本発明の半導体装置によれ
ば、ヘテロ界面近傍に2次元電子ガスが形成されている
ので、非常に高速の動作が可能なうえに、ヘテロ界面の
伝導帯のエネルギー障壁により伝達コンダクタンスgm
の立ち上がりを急峻にすることができる。さらに、Ga
As層とGaInAs層とのヘテロ界面のバンド構造に
より、伝達コンダクタンスgmの急激な低下が防止さ
れ、広いゲートバイアスでも高い利得と高速の動作とを
得ることができる。
As described above, according to the semiconductor device of the present invention, since the two-dimensional electron gas is formed in the vicinity of the hetero interface, very high speed operation is possible and the energy of the conduction band of the hetero interface is high. Transfer conductance gm due to barrier
The rising edge of can be made steep. Furthermore, Ga
Due to the band structure of the hetero interface between the As layer and the GaInAs layer, a sharp decrease in the transfer conductance gm can be prevented, and high gain and high speed operation can be obtained even with a wide gate bias.

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

【図1】実施例の構成図。FIG. 1 is a configuration diagram of an embodiment.

【図2】実施例の製造工程図。FIG. 2 is a manufacturing process diagram of the embodiment.

【図3】実施例及び従来例の特性図。FIG. 3 is a characteristic diagram of an example and a conventional example.

【図4】一般的なHEMTの構成図。FIG. 4 is a configuration diagram of a general HEMT.

【図5】一般的なパルスドープMESFETの構成図。FIG. 5 is a configuration diagram of a general pulse-doped MESFET.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

110…基板120…バッファ層,130a,130b
…GaInAs層,140…GaAs層,150…キャ
ップ層,350a,b…n+ イオン注入層。
110 ... Substrate 120 ... Buffer layer, 130a, 130b
... GaInAs layer, 140 ... GaAs layer, 150 ... Cap layer, 350a, b ... n + ion implantation layer.

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 ドレイン−ソース間のチャネルに流れる
電流の制御がゲート電極に加える電圧によってなされる
半導体装置であって、 n型ドーパントを含む少なくとも1つの2次元状の層及
びこの2次元状の層それぞれを挟むノンドープ層からな
るGaAs層と、このGaAs層を挟むノンドープGa
InAs層とで構成されたチャネル層を有し、 前記ゲート電極に電気的につながれ、GaInAsより
もバンドギャップの大きいノンドープの半導体からなる
キャップ層と、 GaInAsよりもバンドギャップの大きいノンドープ
の半導体からなるバッファ層とを前記チャネル層の両側
に備えたことを特徴とする半導体装置。
1. A semiconductor device, wherein a current flowing in a drain-source channel is controlled by a voltage applied to a gate electrode, wherein at least one two-dimensional layer containing an n-type dopant and the two-dimensional layer. GaAs layers composed of non-doped layers sandwiching the layers, and non-doped Ga sandwiching the GaAs layers
A channel layer formed of an InAs layer, electrically connected to the gate electrode, and made of a non-doped semiconductor having a band gap larger than GaInAs; and a non-doped semiconductor having a band gap larger than GaInAs. A semiconductor device comprising a buffer layer on both sides of the channel layer.
【請求項2】 前記ノンドープGaInAs層のInの
組成が、連続的或いはステップ状の変化を有することを
特徴とする請求項1記載の半導体装置。
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the composition of In in the non-doped GaInAs layer has a continuous or stepwise change.
【請求項3】 前記チャネルの両端近傍まで不純物が導
入されて形成されたドレイン領域及びソース領域を有す
ることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
3. The semiconductor device according to claim 1, further comprising a drain region and a source region formed by introducing impurities up to the vicinity of both ends of the channel.
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CA002089398A CA2089398A1 (en) 1992-02-14 1993-02-12 Semiconductor device
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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