-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Feldeffekt-
Transistor (nachstehend als FET bezeichnet) unter Verwendung
eines Verbindungshalbleiters. Insbesondere betrifft die
vorliegende Erfindung einen sogenannten HEMT bzw. Transistor mit
hoher Elektronenbeweglichkeit von einem pseudomorphen Typ, bei
dem eine Indium-Gallium-Arsenid-(nachstehend als InGaAs-
bezeichnet) Halbleiterkristallschicht, die Indium (nachstehend
als In bezeichnet) enthält, und eine
Aluminium-Gallium-Arsenid-(nachstehend als AlGaAs- bezeichnet) Schicht auf einem
Gallium-Arsenid-(nachstehend als GaAs- bezeichnet)
Halbleitersubstrat gebildet sind, wodurch ein FET dargestellt wird.
-
In den letzten Jahren hat man Halbleiter in
Hochfrequenzbereichen aktiv verwendet, FETs sind erforderlich gewesen, die bei
hoher Geschwindigkeit bei hohen Frequenzen betrieben werden,
und HEMTs bzw. Transistoren mit hohen
Elektronenbeweglichkeiten unter Verwendung von Verbindungshalbleitern sind
entwickelt worden. Um höhere Geschwindigkeiten zu bewirken,
sind die sogenannten FETs vom pseudomorphen Typ entwickelt
worden, in denen InGaAs, dessen Elektronenbeweglichkeit größer
als die von GaAs ist, in einer Kanalschicht verwendet wird.
-
Die Grundstruktur von diesem FET vom pseudomorphen Typ ist so,
daß eine In0,15Ga0,85As-Schicht, deren
In-Zusammensetzungsverhältnis beispielsweise 15 % ist, auf einem GaAs-Substrat
gebildet wird, AlGaAs auf dieser Schicht gebildet wird und eine
Drain-Elektrode, eine Source-Elektrode und eine Gate-Elektrode
auf dieser Oberfläche gebildet werden.
-
Eine ähnliche Struktur ist in US-B-4 827 320 beschrieben: In
dieser Patentschrift wird eine Halbleitervorrichtung mit
verspannten InGaAs-Schichten gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1
gezeigt. Die bekannte Vorrichtung zeigt die Struktur aus einer
ersten Halbleiterschicht aus halbisolierendem GaAs, einer
pseudomorphen Quantentopfschicht aus InyGa1-yAS, einer
undotierten Rückstellungsschicht ("set-back layer") und einer
dotierten Schicht, die aus AlGaAs gebildet sind, und diese
Schichten sind mit einer GaAs-Deckschicht bedeckt. Da die
Bandlücke von InyGa1-yAs viel kleiner als die von GaAs ist,
hat die in dieser Patentschrift beschriebene Struktur den
Vorteil, daß es keinen Bedarf für einen störend großen Molenbruch
Al in der InyGa1-yAs-Schicht gibt, um eine große
Diskontinuität der Bandlücke aufrecht zu erhalten.
-
In dem FET mit solch einer Struktur ist die Kanalschicht,
durch die sich Elektronen bewegen, in der InGaAs-Schicht
gebildet, ihre Dicke ist klein, d. h. in der Nähe von ungefähr
15 nm (150 Å), und ihre Substratseite grenzt an GaAs mit
kleiner Elektronenaffinität an, so daß Elektronen in einem
Quantentopf in InGaAs eingeschlossen sind. Als Ergebnis hat dieser
Typ von FET eine herausragende Eigenschaft, daß, im Vergleich
mit einem herkömmlichen FET vom GaAs-Typ, gm größer ist und
der Kurzkanaleffekt kleiner ist.
-
Energiebanddiagramme in Fällen, in denen 0 V und negative
Spannungen an die Gate-Elektrode angelegt werden, sind jeweils
in den Fig. 5 und 6 gezeigt. In diesen Zeichnungen stellt die
Abszisse die Tiefe von der Gate-Elektrodenseite in die
Richtung nach unten zum GaAs-Substrat dar, Punkt A gibt die
Grenzfläche zwischen der Gate-Elektrode und der AlGaAs-Schicht an,
Punkt B gibt die Grenzfläche zwischen der AlGaAs-Schicht und
der InGaAs-Schicht an, und Punkt C gibt die Grenzfläche
zwischen der InGaAs-Schicht und dem GaAs-Substrat an, während die
Ordinate die Energie darstellt. Zusätzlich zeigt E die
Verteilung der Elektronen in der Richtung der Tiefe des
Halbleitersubstrats, wenn der FET betrieben wird. Man kann aus den
Fig. 5 und 6 entnehmen, daß die Verteilung der Elektronen bei
Anlegen der negativen Spannung an die Gate-Elektrode in der
Richtung der Tiefe des Substrats breiter wird und ein Abstand
a von der Oberfläche (Punkt A) des Substrats zum Mittelpunkt
(Punkt D) der Verteilung der Elektronen groß ist.
-
Da die In enthaltende InGaAs-Schicht in der Kanalschicht wie
vorstehend beschrieben gebildet ist, wird die Fähigkeit
verbessert. Es gibt jedoch noch das Problem, daß, wenn die
negative Spannung an die Gate-Elektrode angelegt wird, die
Steilheit gm des Transistors klein wird. Es gibt auch das
Problem, daß die Rauschzahl in einem Bereich, in dem der Drain-
Strom klein ist, beträchtlich wird.
-
Das heißt, gm wird durch die folgende Formel (1) ausgedrückt:
-
worin u die Elektronenbeweglichkeit ist, Lg die Gate-Länge
ist, wg die Gate-Breite ist, E die dielektrische Konstante von
AlGaAs ist, Vg die Gate-Spannung ist, Vth die
Schwellenspannung ist und a der Abstand (siehe Fig. 5 oder 6) zwischen.der
Gate-Elektrode und dem Kanal ist. Wenn die negative Spannung
an die Gate-Elektrode angelegt wird, entfernt sich die
Verteilung der Elektronen von der Substratoberfläche, und a wird
groß. Als Ergebnis wird gm klein nach Formel (1).
-
Zusätzlich wird die Rauschzahl NF durch die folgende Formel
(2) ausgedrückt:
-
worin Kf ein passender Faktor ist, der durch das Material, die
Anordnung und dergleichen des Halbleiters bestimmt wird, f
eine Frequenz während des Betriebs ist, Cgs eine
Gate-Kapazität
ist, gm die Steilheit ist, Rs der Source-Widerstand ist
und Rg der Gate-Widerstand ist. Man kann dieser Formel (2)
entnehmen, daß, wenn gm klein wird, NF groß wird und die
Rauschzahl groß wird.
-
Hinsichtlich der vorstehend beschriebenen Umstände ist es
Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen FET bereitzustellen,
dessen Rauschzahl nicht beeinträchtigt wird, indem man
verhindert, daß gm klein wird, selbst, wenn eine negative Spannung
an die Gate-Spannung angelegt wird.
-
Der FET gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein
Feldeffekttransistor nach Anspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen
des FET gemäß der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der
abhängigen Ansprüche. Als Ergebnis wird eine Zunahme des
Abstands a zwischen der Gate-Elektrode und dem Kanal aufgehoben,
indem man die Elektronenbeweglichkeit u erhöht.
-
Wie vorstehend beschrieben ist bekannt, daß das InGaAs, in dem
In in GaAs enthalten ist, eine große Elektronenbeweglichkeit u
hat, and daß, je größer das Zusammensetzungsverhältnis von In
bis zu dem Zusammensetzungsverhältnis von 50 % oder so ähnlich
wird, desto größer die Beweglichkeit u wird.
-
Inzwischen unterscheiden sich die Gitterkonstanten von InGaAs
und GaAs voneinander. Es wird jedoch gemäß Matthews et al.
gezeigt, daß in einem Fall, in dem der Unterschied der
Gitterkonstanten klein ist und die Dicke der Kristallschicht klein
ist, ihre jeweiligen Kristallgitter sich zusammenziehen und
die Gitter in einem verzerrten Zustand sind, aber Wachstum
möglich ist (Defects in Epitaxial Multilayers 1 Misfit
Dislocation, Journal of Crystal Growth, Vol. 27, 1974,
S. 118). Das heißt, daß, wenn die Filmdicke innerhalb einer
kritischen Filmdicke liegt, InGaAs auf dem GaAs-Substrat
gewachsen werden kann und daß die kritische Dicke des
wachsenden Films klein wird, wenn das In-
Zusammensetzungsverhältnis groß wird.
-
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird daher die Menge an In in
der InGaAs-Schicht variiert, und das
In-Zusammensetzungsverhältnis wird an der Seite der Gate-Elektrode klein gemacht,
und das In-Zusammensetzungsverhältnis wird an der Seite des
GaAs-Substrats groß gemacht. Als Ergebnis wird, wenn eine
negative Spannung an die Gate-Elektrode angelegt wird und der
Schwerpunkt der Elektronenverteilung sich zum Inneren des
Substrats bewegt (der Abstand a zwischen der Gate-Elektrode und
der Verteilung der Elektronen), dann das
In-Zusammensetzungsverhältnis groß, und die Elektronenbeweglichkeit u wird groß.
Daher kann ein vergrößerter Anteil von a in dem Nenner durch
eine Vergrößerung in dem Zähler u aufgehoben werden, wodurch
es möglich gemacht wird, eine Abnahme von gm zu steuern.
-
Zusätzlich wird, da das In-Zusammensetzungsverhältnis des In-
GaAs auf der Seite der GaAs-Pufferschicht groß ist, eine Band-
Versetzung, d. h. ein Energie-Abstand zwischen dem
InGaAs-Bereich und der GaAs-Pufferschicht groß, so daß mehr Elektronen
enthalten sein können, und der Kurzkanal-Effekt kann
verhindert werden.
-
Fig. 1 ist ein Diagramm zur Erklärung der Struktur eines HEMT
von einem pseudomorphen Typ gemäß einer Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung;
-
Fig. 2 ist ein Diagramm, das Veränderungen des
In-Zusammensetzungsverhältnisses einer InGaAs-Schicht in einem FET gemäß
einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
-
Fig. 3 ist ein Diagramm eines weiteren Beispiels, das
Veränderungen in dem In-Zusammensetzungsverhältnis der InGaAs-Schicht
in dem FET gemäß einer weiteren Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zeigt;
-
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung einer
Molekularstrahlepitaxie-Apparatur;
-
Fig. 5 ist ein Energiebanddiagramm unterhalb einer
Gate-Elektrode, wenn die Gate-Spannung in einem herkömmlichen FET vom
pseudomorphen Typ 0 V ist; und
-
Fig. 6 ist ein Energiebanddiagramm unterhalb der
Gate-Elektrode, wenn die Gate-Spannung in dem herkömmlichen FET vom
pseudomorphen Typ negativ ist.
-
Als nächstes wird eine detaillierte Beschreibung der
vorliegenden Erfindung gegeben. Fig. 1 ist ein Diagramm des Aufbaus
eines FET vom pseudomorphen Typ, der eine Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist.
-
In Fig. 1 bezeichnet Bezugszeichen 1 ein GaAs-Substrat, und
Bezugszeichen 2 bezeichnet eine undotierte GaAs-Pufferschicht,
die mit einer Dicke von ungefähr 500 nm (5000 Å) gebildet ist,
und diese Pufferschicht ist bereitgestellt, um die
Unregelmäßigkeiten in dem GaAs-Substrat 1 vor seinem Wachstum zu
glätten. Bezugszeichen 3 bezeichnet eine undotierte InGaAs-
Schicht, die in einer Dicke von ungefähr 10 nm (100 Å)
gebildet ist, so daß das Zusammensetzungsverhältnis von In zu der
Oberflächenseite (obere Seite in der Zeichnung) kleiner wird,
und diese Schicht bildet eine Kanalschicht. Bezugszeichen 4
bezeichnet eine undotierte Al0,22Ga0,78As-Schicht, die in
einer Dicke von ungefähr 2 nm (20 Å) gebildet ist und wirkt,
indem sie sicherstellt, daß die Elektronenverteilung sich nicht
in eine n&spplus;-AIGaAs-Schicht 5 erstreckt und die Beweglichkeit
nicht abnimmt. Bezugszeichen 5 bezeichnet eine Al0,22Ga0,78As-
Schicht vom n&spplus;-Typ, in der Verunreinigungen vom n-Typ in einer
Konzentration von ungefähr 2,5 x 10¹&sup8; cm&supmin;³ dotiert sind und
die in einer Dicke von ungefähr 30 nm (300 Å) gebildet ist und
die Funktion hat, Elektronen der InGaAs-Schicht 3 von den
Verunreinigungen vom n-Typ in der n&spplus;-AlGaAs-Schicht durch die
Elektronenaffinität zwischen AlGaAs und InGaAs zuzuführen.
Bezugszeichen 6 bezeichnet eine GaAs-Schicht vom n&spplus;-Typ, die in
einer Dicke von ungefähr 70 nm (700 Å) gebildet ist und
gebildet ist, um einen guten ohmschen Kontakt zwischen einer Drain-
Elektrode 7 und einer Source-Elektrode 8 auf der einen Seite
und der n&spplus;-AlGaAs-Schicht 5 auf der anderen Seite
herzustellen. Ein Bereich der n&spplus;-Typ GaAs-Schicht 6 zwischen der Drain-
Elektrode 7 und der Source-Elektrode 8 ist entfernt, und eine
Gate-Elektrode 9 ist auf dem freigelegten Bereich der AlGaAs-
Schicht 5 gebildet. Die Drain-Elektrode 7 und die
Source-Elektrode 8 sind aus einer Legierung aus AuGe, Ni oder dergleichen
gebildet, während die Gate-Elektrode 9 aus Ti/Al, Al,
Ti/Pt/Au, WSi/Au oder dergleichen gebildet ist.
-
In dem FET mit dieser Struktur wird eine Vorspannung an die
Gate-Elektrode 9 angelegt, und eine Spannung wird über die
Drain-Elektrode 7 und die Source-Elektrode 8 angelegt,
Elektronen bewegen sich in der InGaAs-Schicht 3 und Strom fließt
entsprechend einer an die Gate-Elektrode angelegten Spannung.
Diese InGaAs-Schicht 3 hat ein unterschiedliches
Zusammensetzungsverhältnis von In in seiner Dickenrichtung, und das
Zusammensetzungsverhältnis von In nahe bei der AlGaAs-Schicht 4
ist klein, während das In-Zusammensetzungsverhältnis auf der
GaAs-Substratseite groß ist. Diese Beziehung ist in den Fig. 2
und 3 gezeigt. Das heißt, in diesen Zeichnungen stellt die
Abszisse die Dicke der InGaAs-Schicht 3 dar, Punkt B gibt eine
Grenzfläche zwischen der InGaAs-Schicht 3 und der AlGaAs-
Schicht 4 an, während Punkt C eine Grenzfläche zwischen der
InGaAs-Schicht 3 und der Pufferschicht 2 angibt.
-
Das in Fig. 2 gezeigte Beispiel ist ein Beispiel, in dem das
Zusammensetzungsverhältnis von In in InGaAs kontinuierlich
verändert worden ist, während das in Fig. 3 gezeigte Beispiel
ein Beispiel ist, in dem das Zusammensetzungsverhältnis von In
in Stufen verändert worden ist. Jeder Fall zeigt ein Beispiel,
in dem das Zusammensetzungsverhältnis von In umso mehr bis zu
40 % ansteigt, je weiter (tiefer) die Entfernung von der
Substratoberfläche ist.
-
Wenn die vorstehend beschriebene Struktur angenommen wird,
bewegt sich das Zentrum der Elektronenverteilung in der InGaAs-
Schicht 3 zu der rückseitigen Oberflächenseite (zu der C-Seite
in den Figuren 2 und 3) des Substrats, wenn eine negative
Spannung an die Gate-Elektrode wie vorstehend beschrieben
angelegt wird. Als Ergebnis wird auf der Grundlage der
vorstehend erwähnten Formel (1) a groß, so daß gm klein wird. Gemäß
der vorliegenden Erfindung wird jedoch das
Zusammensetzungsverhältnis von In groß und die Beweglichkeit u der Elektronen
wird groß, mit dem Ergebnis, daß gm groß wird und ein
vergrößerter Anteil a folglich durch einen vergrößerten Anteil u
aufgehoben wird, wodurch verhindert wird, daß gm klein wird.
-
Als nächstes wird ein Beispiel des Verfahrens zur Herstellung
des FETs mit dieser Struktur beschrieben.
-
Um den FET mit dieser Struktur herzustellen, wird ein
Verbindungshalbleiter auf dem Substrat abgeschieden, wenn die
Temperatur eines Tiegels erhöht wird, in dem ein Verbindungselement
enthalten ist, das durch eine gewöhnliche
Molekularstrahlepitaxie-Apparatur zu bilden ist, und ein Verschluß dann geöffnet
wird. Eine schematische Darstellung dieser
Molekularstrahlepitaxie-Apparatur ist in Fig. 4 gezeigt. In der Zeichnung
bezeichnet Bezugszeichen 11 einen Ofen, der so gebildet ist, daß
sein Inneres auf ein Vakuum von 10&supmin;¹&sup0; bis 10&supmin;¹¹ Torr
eingestellt werden kann. Bezugszeichen 13 bezeichnet eine
Heizeinrichtung zum Erhöhen der Temperatur des Substrats,
Bezugszeichen 14 bezeichnet eine Grundfläche zum Befestigen des
Substrats, und Bezugszeichen 15 bis 19 bezeichnen Tiegel, in
denen die jeweiligen Elemente enthalten sind.
-
Das Verfahren zur Bildung der InGaAs-Schicht durch Verändern
des Zusammensetzungsverhältnisses von In, welches ein
wichtiger Punkt der vorliegenden Erfindung ist, wird beschrieben.
Das GaAs-Substrat 1 wird auf der Grundfläche zum Befestigen
des Substrats 14 befestigt, die Temperatur des Substrats wird
auf ungefähr 540 ºC durch die Heizeinrichtung 13 eingestellt,
und die Temperaturen des As-Tiegels und des Ga-Tiegels sind
fest bei ungefähr 290 ºC bzw. ungefähr 900 ºC, wodurch die
GaAs-Pufferschicht 2 gebildet wird. Da die In-Menge umso
größer ist, je höher die Temperatur des In-Tiegels ist, wird, um
das Zusammensetzungsverhältnis von In in einem Bereich von 15
bis 40 % zu verändern, so daß das
In-Zusammensetzungsverhältnis der InGaAs-Schicht 3 an der GaAs-Substratseite erhöht
wird, wenn die Temperatur während des frühen Zeitraums der
Bildung der InGaAs-Schicht 3 auf 840 ºC eingestellt ist und
die Temperatur dann schrittweise erniedrigt wird und die
Temperatur nach Beendigung der Schichtbildung auf 810 ºC
eingestellt ist, die InGaAs-Schicht 3 gebildet, bei der das
Zusammensetzungsverhältnis von In kontinuierlich klein gemacht
wird.
-
Um diese InGaAs-Schicht 3 in solch einer Weise zu bilden, daß
sich das Zusammensetzungsverhältnis von In in Schritten
verändert, wie in Fig. 3 gezeigt, ist es möglich, die InGaAs-
Schicht 3 zu bilden, bei der sich das
In-Zusammensetzungsverhältnis in Schritten verändert, wenn die Temperatur in
Schritten in dem vorstehend erwähnten Temperaturbereich eingestellt
wird und wenn das Verfahren wiederholt wird, bei dem der
Verschluß für einen vorbestimmten Wert von mehreren 10 Ånstrom
geöffnet wird, die Temperatur leicht erniedrigt wird und der
Verschluß für einen weiteren Wert von mehreren 10 Ångstrom
geöffnet wird.
-
Zusätzlich kann, um die Al0,22Ga0,78As-Schicht 4 mit einem Al-
Zusammensetzungsverhältnis von 22 % zu bilden, diese Schicht
erhalten werden, indem man die Temperatur des Al-Tiegels auf
ungefähr 1060 ºC einstellt. Zusätzlich wird, um die n&spplus;-AlGaAs-
Schicht 5 zu bilden, die Temperatur des Si-Tiegels auf
ungefähr 1090 ºC und, um die n&spplus;-Typ GaAs-Schicht zu bilden, die
Temperatur des Tiegels auf ungefähr 1095 ºC eingestellt,
wodurch Dotierung mit Verunreinigungen zugelassen wird. Es ist
anzumerken, daß die Wachstumsrate der jeweiligen Schichten im
wesentlichen fest ist und 1,2 um/Zeit beträgt.
-
Obwohl in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform das
Beispiel von Al0,22Ga0,78As mit einem
Al-Zusammensetzungsverhältnis von 22 % beschrieben worden ist, ist das
Zusammensetzungsverhältnis
nicht auf diesen Wert beschränkt, und es
genügt, wenn es in dem Bereich von 15 bis 40 % liegt.
-
Wie vorstehend beschrieben kann, um die InGaAs-Schicht 3 zu
erhalten, in der das In-Zusammensetzungsverhältnis verändert
wird, die Schicht leicht nur durch die Temperatursteuerung der
Tiegel gebildet werden, wenn der Verbindungshalbleiter durch
Epitaxie gebildet wird. Zusätzlich ist, da das In-
Zusammensetzungsverhältnis der InGaAs-Schicht auf der Seite
der Gate-Elektrode und auf der Substratseite verändert wird,
eine Veränderung der Steilheit gm des FET klein, selbst in
Hinblick auf eine Veränderung der an die Gate-Elektrode
angelegten Spannung. Daher kann, wie für die Rauschzahl, ein
fester Wert innerhalb eines großen Bereichs der an die Gate-
Elektrode angelegten Spannung erhalten werden.
-
Als Ergebnis hat die Vorrichtung die Fähigkeit, in
ausreichendem Maße einer Hochfrequenz-Schaltung stand zu halten.