DE3828885A1

DE3828885A1 - Feldeffekttransistor

Info

Publication number: DE3828885A1
Application number: DE19883828885
Authority: DE
Inventors: Kohki Nagahama
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1988-08-26
Filing date: 1988-08-25
Publication date: 1990-03-01
Also published as: FR2635918A1; FR2635918B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Feldeffekttransistor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und insbesondere auf einen solchen Feldeffekttransistor, bei dem ein zweidimensionales Elektronengas vorhanden ist, welches sich an der Grenzfläche zwischen einer GaAs-Schicht und einer AlGaAs-Schicht befindet.

Die Fig. 4(a) bis 4(d) zeigen den Aufbau eines 2DEGFET (Zweidimensionaler Elek tronengasfeldeffekttransistor), wie er herkömmlich verwendet wird.

In diesen Fig. befindet sich eine undotierte GaAs-Schicht 2 als erste Halbleiter schicht auf einem halbisolierenden GaAs-Substrat 1. Eine zweidimensionale Elektronengasschicht 3 wird im Oberflächenbereich der undotierten GaAs- Schicht 2 hergestellt. Eine AlGaAs-Schicht 4 vom n-Typ liegt als zweite Halblei terschicht auf der undotierten GaAs-Schicht 2. Ferner befindet sich eine GaAs- Schicht 5 vom n-Typ als dritte Halbleiterschicht auf der AlGaAs-Schicht 4 vom n- Typ. Das Bezugszeichen 6 kennzeichnet eine Gateelektrode, während eine Sour ceelektrode und eine Drainelektrode mit den Bezugszeichen 7 und 8 versehen sind. Das Bezugszeichen 9 dient zur Markierung einer furchen- bzw. rinnenförmi gen Vertiefung.

Als Strukturen der 2DEGFET's existieren zwei Arten von Planarstrukturen und Vertiefungsstrukturen, wobei die Fig. 4(a) und 4(b) Planarstrukturen zeigen, wäh rend in den Fig. 4(c) und 4(d) Vertiefungsstrukturen dargestellt sind.

Gemäß Fig. 4(a) wachsen eine undotierte GaAs-Schicht 2 und eine AlGaAs- Schicht 4 vom n-Typ epitaktisch auf einem halbisolierenden GaAs-Substrat 1 auf, wobei mit ihnen eine Sourceelektrode 7 und eine Drainelektrode 8 in ohm schem Kontakt stehen. Eine Gateelektrode 6 steht in Schottky-Kontakt mit der AlGaAs-Schicht 4 vom n-Typ.

Die Fig. 4(b) zeigt eine verbesserte Struktur eines planaren 2DEGFET's, bei dem eine GaAs-Schicht 5 vom n-Typ zwischen der AlGaAs-Schicht 4 vom n-Typ und der Gateelektrode 6 liegt.

Bei den Vertiefungsstrukturen der 2DEGFET's in den Fig. 4(c) und 4(d) liegen die Ga teelektroden 6 in den furchenartigen Vertiefungen 9, wobei sich gemäß Fig. 4(c) der Boden der furchenartigen Vertiefung 9 innerhalb der AlGaAs-Schicht 4 vom n-Typ befindet, während er nach Fig. 4(d) innerhalb der GaAs-Schicht 5 vom n- Typ vorhanden ist.

Bei den 2DEGFET-Strukturen nach den Fig. 4(a) und 4(b) müssen die Filmdicke und die Dotierungsmenge der auf epitaktischem Wege erzeugten Schichten genau eingestellt werden, wobei eine verbesserte Gleichförmigkeit der Transistoreigen schaften entlang der Waferoberfläche erwartet werden kann. Bei einer derartigen planaren Struktur nehmen die Widerstandswerte zwischen der Sourceelektrode 7 und der Gateelektrode 6 sowie zwischen der Gateelektrode 6 und der Drainelektro de 8 relativ hohe Werte an, und zwar im Vergleich zu den 2DEGFET-Vertiefungs strukturen nach den Fig. 4(c) und 4(d). Um den Widerstandswert zu vermindern, sollte das Intervall zwischen der Sourceelektrode 9 und der Drainelektrode 8 schmal sein im Vergleich zur Vertiefungsstruktur, was jedoch zu Schwierigkeiten bei der Herstellung führt. Im Ergebnis stellen somit die 2DEGFET-Strukturen nach den Fig. 4(c) und 4(d) einen guten Kompromiß dar.

Im nachfolgenden wird die Wirkungsweise der in Fig. 4(c) gezeigten 2DEGFET- Struktur näher erläutert.

Wird zwischen Sourceelektrode 7 und Drainelektrode 8 eine Spannung angelegt, so fließt ein Strom durch die zweidimensionale Elektronengasschicht 3. Wird in diesem Zustand eine Spannung an die Gateelektrode 6 angelegt, so ändert sich die Konzentration des zweidimensionalen Elektronengases in der zweidimensiona len Elektronengasschicht 3 unterhalb der Gateelektrode, was zu einen entspre chenden Transistorbetrieb führt.

Der Anfangsstromwert des Transistors kann in Abhängigkeit der Tiefe der fur chenförmigen Ausnehmung 9, die zur Aufnahme der Gateelektrode 6 dient, einge stellt werden, so daß ein 2DEGFET mit gewünschten Eigenschaften erhalten wird.

Die GaAs-Schicht 5 vom n-Typ innerhalb des 2DEGFET's mit einer derartigen Vertiefungsstruktur dient zur Durchführung von Reaktionen mit dem Elektro denmetall während der Herstellung von Sourceelektrode 7 und Drainelektrode 8 und vermindert den Kontaktwiderstand zwischen der Sourceelektrode 7 oder der Drainelektrode 8 und der zweidimensionalen Elektronengasschicht 3. Diese GaAs-Schicht 5 vom n-Typ weist üblicherweise eine Filmdicke von 40 bis 60 nm (400 bis 600 Å) auf. Der Grund liegt darin, daß der Kontaktwiderstand zwischen der zweidimensionalen Elektronengasschicht 3 und der Sourceelektrode 7 oder der Drainelektrode 8 andernfalls wahrscheinlich ansteigen würde, wenn die GaAs-Schicht 5 vom n-Typ zu dick wäre, da das Elektrodenmetall nicht mehr hinreichend weit in diese Schicht 5 eindringen könnte.

Bei dem herkömmlichen 2DEGFET dient die Vertiefungsstruktur zur Verminde rung des Widerstandes zwischen der Sourceelektrode 7 und der Gateelektrode 6 so wie zwischen der Drainelektrode 8 und der Gateelektrode 6. Weist jedoch die GaAs- Schicht 5 vom n-Typ eine Filmdicke von etwa 40 bis 60 nm (400 bis 600 Å) auf, so lassen sich die Widerstandswerte zwischen der Sourceelektrode 7 und der Gate elektrode 6 sowie zwischen der Drainelektrode 8 und der Gateelektrode 6 nicht mehr hinreichend vermindern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einen hohen Wirkungsgrad auf weisenden Feldeffekttransistor mit zweidimensionalem Elektronengas zu schaffen, bei dem die Widerstandswerte zwischen der Sourceelektrode und der Gate elektrode einerseits und zwischen der Drainelektrode und der Gateelektrode andererseits weiter vermindert sind.

Die Lösung der gestellten Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patentan spruchs 1 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den nachfolgenden Unteransprüchen gekennzeichnet.

In Übereinstimmung mit der Erfindung ist eine dritte Halbleiterschicht (5 a) zur Verminderung von Widerständen auf eine Filmdicke von 100 bis 150 nm (1000 bis 1500 Å) eingestellt, wobei die Filmdicke nur in denjenigen Bereichen verringert ist, in denen eine Sourceelektrode und eine Drainelektrode hergestellt werden. Diese dritte Halbleiterschicht verringert den Kontaktwiderstand zwischen der Source- und Drainelektrode und der zweidimensionalen Elektronengasschicht 3. Gleichzeitig wird durch die Wahl der bestimmten Dicke dieser dritten Halblei terschicht erreicht, daß sich der Widerstand zwischen der Sourceelektrode und der Gateelektrode einerseits und zwischen der Drainelektrode und der Gateelek trode andererseits ebenfalls verringert.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen 2DEGFET nach einem Ausführungs beispiel der Erfindung,

Fig. 2 Darstellungen zur Erläuterung des Widerstandes zwischen Source elektrode und Gateelektrode in Abhängigkeit der Filmdicke einer dritten Halbleiterschicht innerhalb des Feldeffekttransistors nach Fig. 1,

Fig. 3 einen Querschnitt durch einen 2DEGFET nach einem zweiten Aus führungsbeispiel der Erfindung und

Fig. 4 Querschnittsstrukturen von herkömmlichen 2DEGFET's.

Im nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnah me auf die Zeichnungen näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt einen 2DEGFET nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfin dung. Gemäß Fig. 1 liegt eine GaAs-Schicht 5 a vom n-Typ auf einer AlGaAs- Schicht 4 vom n-Typ, wobei die GaAs-Schicht 5 a vom n-Typ eine Filmdicke von 100 bis 500 nm (1000 bis 1500 Å) aufweist. Eine furchenförmige Ausnehmung 9 be findet sich im Zentralbereich der GaAs-Schicht 5 a vom n-Typ und der AlGaAs- Schicht 4 vom n-Typ. Die Tiefe und die Breite in Querrichtung der furchenförmi gen Ausnehmung 9 sind beide auf l Millimeter eingestellt, wobei der Abstand zwi schen der Sourceelektrode 7 und der Gateelektrode 6 auf 1 Mikrometer eingestellt ist, während die Gateelektrode 6 eine Breite von W Millimetern aufweist.

Die Fig. 2(a) zeigt den Widerstand zwischen Sourceelektrode und Gateelektrode in Abhängigkeit der Filmdicke der GaAs-Schicht 5 a vom n-Typ, während die Fig. 2(b) ein Ersatzschaltbild des 2DEGFET's nach Fig. 1 darstellt.

Entsprechend Fig. 2(a) ist die Filmdicke der GaAs-Schicht 5 a vom n-Typ mit dem Buchstaben d bezeichnet, während der Widerstand zwischen der Sourceelektrode 7 und der Gateelektrode 6 der Widerstand R _s (d) ist. Die Filmdicke d ist entlang der horizontalen Achse aufgetragen, während der Ausdruck R _s (d)/R _s (d = 50 nm) ent lang der vertikalen Achse aufgetragen ist.

In der Fig. 2(b) stellt das Bezugszeichen R _c den Kontaktwiderstand zwischen der Metallelektrode und der Epitaxieschicht dar, wobei der Kontaktwiderstand mit der zweidimensionalen Elektronengasschicht 3 eingeschlossen ist, während das Bezugszeichen R ₁ den Widerstandswert der GaAs-Schicht 5 a vom n-Typ darstellt.

Die Bezugszeichen R ₂ und R ₃ repräsentieren Widerstandswerte der zweidimensio nalen Elektronengasschicht 3. Die Widerstandswerte sind so eingestellt, daß die folgenden Bedingungen gelten: R _c ∝ 1/W, R ₁ ∝ (1-l/l · W, R ₂ ∝ (1 - l)/W und R ₃ ∝l/W.

Die Beziehung zwischen der Filmdicke d und dem Widerstandswert R _s (d)/R _s (d = 50 nm) wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 2(b) näher be schrieben.

Ist die Filmdicke d der GaAs-Schicht 5 a vom n-Typ dünn, so ist der Widerstands wert R ₁ der GaAs-Schicht 5 a vom n-Typ groß. Ist ferner die Filmdicke d der GaAs- Schicht 5 a vom n-Typ zu dick, so steigt die Querbreite 1 der furchenförmigen Aus nehmung 9 mit zunehmender Filmdicke an, was zu einer Erhöhung des Wider standswertes R ₃ führt. Unter Berücksichtigung dieser Bedingungen wird eine in Fig. 2(a) gezeigte Kurve erhalten, die zeigt, daß der Widerstandswert R _s(d), also das Verhältnis der Widerstandswerte R _s (d)/R _s (d = 50 nm) am niedrigsten bei d = 100 bis 150 nm (d = 1000 bis 1500 Å) ist.

Demzufolge läßt sich in Übereinstimmung mit Fig. 2(a) der Widerstandswert R _s (d) sehr viel weiter in einem Fall reduzieren, bei dem die Filmdicke d der GaAs- Schicht 5 a vom n-Typ nicht, wie konventionell, auf 40 bis 60 nm sondern auf 100 bis 150 nm eingestellt wird. Entsprechendes gilt auch für den Widerstandswert zwischen der Drainelektrode 8 und der Gateelektrode 6.

Bei der in Fig. 1 gezeigten 2DEGFET-Struktur sind die Tiefe und die Querbreite der furchenförmigen Ausnehmung 9 relativ groß, da die GaAs-Schicht 5 a vom n-Typ dicker ist als 40 bis 60 nm im Falle des konventionellen 2DEGFET's. Aufgrund der relativ großen Dicke der GaAs-Schicht 5 a vom n-Typ kann es möglicherweise vorkommen, daß sich der Kontaktwiderstand zwischen der Sourceelektrode 7 oder der Drainelektrode 8 und der zweidimensionalen Elektronengasschicht 3 erhöht, wie oben beschrieben. Bei diesem Ausführungsbeispiel jedoch wird eine Widerstandserhöhung dadurch verhindert, daß die GaAs-Schicht 5 a vom n-Typ in Bereichen, in denen die Sourceelektrode 7 und die Drainelektrode 8 gebildet werden, durch einen Ätzvorgang auf einen gewünschte Dicke verringert wird, be vor das Elektrodenmetall aufgebracht wird.

Beim oben beschriebenen Ausführungsbeispiel liegt der Boden der furchenförmi gen Ausnehmung 9 innerhalb der AlGaAs-Schicht 4 vom n-Typ, wobei diese Posi tion der furchenförmigen Ausnehmung 9 frei verändert werden kann, und zwar durch Veränderung der Filmdicke der AlGaAs-Schicht 4 vom n-Typ. Wie an Hand der Fig. 3 gezeigt ist, kann beim zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung der Boden der furchenförmigen Ausnehmung 9 aber auch innerhalb der GaAs- Schicht 5 a vom n-Typ liegen.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Filmdicke d der GaAs-Schicht 5 a vom n- Typ in einem Bereich, in welchem keine furchenförmige Ausnehmung existiert, auf 100 bis 150 nm eingestellt.

In Übereinstimmung mit der Erfindung wird die Filmdicke der dritten Halblei terschicht zur Herabsetzung des Widerstandes auf 100 bis 150 nm (1000 bis 1500 Å) eingestellt, wobei die Filmdicke nur in Bereichen dünner hergestellt wird, in de nen die Sourceelektrode und die Drainelektrode hergestellt werden. Auf diese Weise lassen sich im Vergleich zum Stand der Technik die Widerstandswerte zwi schen Sourceelektrode und Gateelektrode sowie zwischen Drainelektrode und Gateelektrode weiter verringern.

Claims

1. Feldeffekttransistor, gekennzeichnet durch

- eine undotierte erste Halbleiterschicht (2),
- eine auf der undotierten ersten Halbleiterschicht (2) liegende zweite Halbleiterschicht (4), die eine größere Bandlücke als die erste Halbleiterschicht (2) aufweist und mit Dotierungsmaterial dotiert ist, wobei die erste Halbleiterschicht (2) eine zweidimensionale Elektronengasschicht (3) erzeugt, die eine Kanalschicht an der Hetero-Übergangsgrenzfläche mit der zweiten Halbleiterschicht (3) bildet,
- eine auf der zweiten Halbleiterschicht (4) liegende dritte Halbleiterschicht (5 a) zur Verminderung von Widerständen,
- eine Gateelektrode (6) innerhalb einer furchenförmigen Ausnehmung (9), die durch entsprechende Entfernung eines Teils oder des gesamten in Tiefenrichtung liegenden Materials der dritten Halbleiterschicht (5 a) erhalten wird, und
- eine Filmdicke (d) von 100 bis 150 nm für die dritte Halbleiterschicht (5 a).

2. Feldeffekttransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Halbleiterschicht (5 a) nur in Bereichen dünn hergestellt ist, in denen sich eine Sourceelektrode (7) und eine Drainelektrode (8) befinden.

3. Feldeffekttransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Halbleiterschicht (2) aus GaAs, die zweite Halbleiterschicht (4) aus AlGaAs und die dritte Halbleiterschicht (5 a) aus GaAs hergestellt sind.

4. Feldeffekttransistor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Halbleiterschicht (2) aus GaAs, die zweite Halbleiterschicht (4) aus AlGaAs und die dritte Halbleiterschicht (5 a) aus GaAs hergestellt sind.