DE69517662T2

DE69517662T2 - Feldeffekt-Transistor

Info

Publication number: DE69517662T2
Application number: DE69517662T
Authority: DE
Inventors: Hironobu Miyamoto; Tatsuo Nakayama
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1994-12-21
Filing date: 1995-12-20
Publication date: 2001-04-19
Anticipated expiration: 2015-12-21
Also published as: EP0718890A1; US5801405A; EP0718890B1; JP2674539B2; JPH08181304A; DE69517662D1

Description

Erfindungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Feldeffekttransistor und insbesondere einen Feldeffekttransistor mit ausgezeichneten Hochfrequenzcharakteristika, um eine hohe Grenzfrequenz und eine verbesserte Steilheit zu zeigen.

Hintergrund der Erfindung

Herkömmlicherweise wurde bei einem InAlAs/InGaAs-Feldeffekttransistor, der auf einem InP-Substrat vorgesehen ist, eine Struktur verwendet, bei der das InAs-Zusammensetzungsverhältnis der aktiven Schicht erhöht ist, um die Hochfrequenzcharakteristik des Feldeffekttransistörs zu verbessern. Als ein typisches Beispiel hierfür gilt eine Struktur, die eine InAs-Schicht in der aktiven Schicht verwendet. Diese Struktur wurde beispielsweise in IEEE Electron Device Letters, Vol. 13, Nr. 6, Juni 1992, Seite 325-327 von Tatsuchi Akazaki u. a. offenbart.
Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht der Struktur des Feldeffekttransistors, der in der vorstehend genannten Veröffentlichung gezeigt worden ist. Wie in der Fig. 1 gezeigt, ist auf einem InP-(100)-Substrat 201 eine InAlAs-Pufferschicht 202 ausgebildet. Auf der Pufferschicht 202 ist eine aktive Schicht oder Kanalschicht ausgebildet. Die aktive Schicht hat eine InGaAs-Schicht 203, die das InAs-Zusammensetzungsverhältnis von 0,53 hat, eine InAs-Schicht 204 und eine InGaAs-Schicht 205, die das InAs-Zusammensetzungs herkömmlichen Beispiel die ungefähr 4 nm dicke InAs-Schicht für die aktive Schicht verwendet wird, werden die Elektronen aus der InAs-Schicht ausgelaugt oder sickern von der InAs-Schicht in die InGaAs-Schichten, und nur ungefähr 50% der Elektronen werden innerhalb der InAs-Schicht akkumuliert, von der eine ausgezeichnete Elektronentransportcharakteristik erwartet werden kann. Da die Elektronen, die ausgelaugt sind, in der InGaAs-Schicht mit dem InAs-Zusammensetzungsverhältnis von 0,53 existieren, die ein weitaus schlechteres Elektronentransportverhalten als die InAs- Schicht hat, kann das ausgezeichnete Elektronentransportverhalten, das die InAs-Schicht hat, schwierig auf die Transistorcharakteristik übertragen werden und die Verbesserung der Grenzfrequenz und der Steilheit ist ebenfalls klein.
Die US-A-5373168 offenbart einen zweidimensionalen Elektronen-Gas-Feldeffekt-Transistor auf einem GaAs-Halbleitersubstrat. Es ist eine Planarkanalschicht aus der Ternärverbindung InGaAs vorgesehen, die als eine Quantenwanne dient und eine Änderung der In-Fraktion in einer rechtwinkligen Richtung zu einer Heteroübergangs-Zwischenphase hat.
Die Variation hat ein stufenförmiges Profil, wobei ein Maximalwert an oder in der Nähe eines Teils eingenommen wird, wo das zweidimensionale Elektronengas eine maximale Dichte einnimmt. Eine derartige Mehrschichtstruktur erzeugt eine große Elektronenmobilität und eine starke Elektronenbegrenzung für Hauptelektronen an einem Teil mit hoher Elektronendichte. Zusätzlich schafft die Mehrschichtstruktur eine sehr effektive Elektronenmobilität und die große Folien- Elektronendichte von dem zweidimensionalen Elektronengas ohne einen Verstärkungsfaktor des Mittelwertes der In- Fraktionen, wodurch die Vergrößerung der Gitterfehlanpassung unterdrückt wird, was in den Kristallen fehlangepaßte Versetzungen verursacht.
das InP-Substrat gitterangepaßt ist, werden die Elektronen, die aus der InAs-Schicht ausgelaugt werden, in der vorstehend genannten InxGa1xAs(mit 0,65 < x < 0,85)-Schicht und der InyGa1-yAs(mit 0,65 < y < 0,85)-Schicht begrenzt.
Ferner werden bei der vorliegenden Erfindung die Elektronen, die aus der InAs-Schicht ausgelaugt werden, in der vorstehend genannten InxGa1-xAs(0,65 < x < 0,85)-Schicht und der InyGa1-yAs (0, 65 < y < 0,85)-Schicht begrenzt, wobei diese InGaAs-Schichten ein besseres Elektronentransportverhalten haben als die InGaAs-Schicht mit dem InAs-Zusammensetzungsverhältnis von 0,53, die an das InP-Substrat gitterangepaßt ist.
Durch die Verwendung der Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung folgt, daß ein Feldeffekttransistor mit ausgezeichneter Hochfrequenzcharakteristik realisiert werden kann, der eine hohe Grenzfrequenz und eine verbesserte Steilheit zeigt.

Kurze Beschreibung der Figuren

Es zeigt:
Fig. 1 einen Querschnitt zur Erläuterung des herkömmlichen Feldeffekttransistors;
Fig. 2 einen Querschnitt zur Erläuterung einer Ausführungsform des Feldeffekttransistors gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 ein Diagramm einer Energiebandstruktur der Ausführungsform gemäß Fig. 2 zur Erläuterung der Änderung des Leitungsbandes in der aktiven Schicht und deren Nachbarschaft;
Fig. 4 ein Querschnitt zur Erläuterung einer weiteren Ausführungsform des Feldeffekttransistors gemäß der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 5 ein Diagramm einer Energiebandstruktur der Ausführungsform gemäß Fig. 4 zur Erläuterung der Änderung des Zusammensetzungsverhältnis von 0,52 und der Dicke von 20 nm) nacheinander; und darauf Ausbilden einer Source-Elektrode 111, einer Gate-Elektrode 112 und einer Drain-Elektrode 113. In der InAlAs-Trägerzufuhrschicht 109 ist Si mit der Konzentration von beispielsweise 3 · 10¹&sup8; cm&supmin;¹ dotiert. Die aktive Schicht oder Kanalschicht enthält die vorstehend angegebene InGaAs-Schicht 103, die InGaAs-Schicht 104, die InAs-Schicht 105, die InGaAs-Schicht 106 und die InGaAs- Schicht 107.
Fig. 3 zeigt die Energiebandstruktur, insbesondere die Änderung des Leitungsbandes in der Nachbarschaft der InGaAs- Schichten, die Abszisse liegt in der Richtung der Dicke jeder Schicht der Struktur gemäß Fig. 2, und die Ordinate ist die Energie der unteren Kante des Leitungsbandes. Diese Fig. 3 zeigt, daß das Leitungsband der In0,8Ga0,2As-Schicht 104, der InAs-Schicht 105 und der In0,8Ga0,2As-Schicht 106 niedriger als der Fermi-Pegel 114 ist, und daß sie Elektronen mit weit höherer Wahrscheinlichkeit als die Schicht mit dem höheren Leitungsband als die Fermi-Pegel, begrenzen kann, beispielsweise In0,53Ga0,47As-Schicht 103, die zeigt, daß die meisten der Elektronen innerhalb der aktiven Schicht in den Schichten 104, 105, 106 mit hohem InAs- Zusammensetzungsverhältnis, von welchen ein hohes Elektronentransportverhalten erwartet werden kann, begrenzt werden können.
Durch Annehmen einer derartigen Struktur kann ein Feldeffekttransistor mit ausgezeichneter Hochfrequenzcharakteristik erzielt werden, in welchem eine hohe Elektronentransportcharakteristik, die den Schichten mit hohem InAs-Verhältnis eigen ist, verliehen ist, und der eine hohe Grenzfrequenz und eine hohe Steilheit zeigt, da ungefähr 90% der Elektronen in den Schichten mit hohem InAs-Zusammensetzungsverhältnis begrenzt sind, d. h. in der Schicht InGaAs- Schicht 104 (InAs-Zusammensetzungsverhältnis 0,8, Dicke 4 nm)/InAs-Schicht 105 (Dicke 4 nm)/InGaAs-Schicht 106 (InAs- Obwohl in der vorstehenden Ausführungsform die Dicke der InAs-Schicht 105 auf 4 nm gesetzt war, kann die Dicke der InAs-Schicht 105 auf irgendeinen beliebigen Wert gesetzt sein, solange als keine Versetzung erzeugt wird und die gewünschte Hochfrequenzcharakteristik erhalten werden kann. Dies liegt beispielsweise innerhalb des Bereiches von 4 nm bis 10 nm.
Obwohl bei der vorstehenden Ausführungsform die Dicke der InGaAs-Schicht 104 auf 4 nm gesetzt war, kann die Dicke der InGaAs-Schicht 104 auf irgendeinen beliebigen Wert gesetzt sein, solange als keine Versetzung erzeugt wird. Wenn jedoch die Dicke der InGaAs-Schicht 104 steigt, steigt die Dehnungsenergie der Schichten mit hohem InAs-Verhältnis insgesamt und verursacht durch das Auftreten von Versetzung, wird die Kristallinität verschlechtert. Daher liegt die Dicke vorzugsweise innerhalb des Bereiches von 2 nm bis 6 nm.
Ähnlich gilt, obwohl in der vorstehenden Ausführungsform die Dicke der InGaAs-Schicht 106 auf 2 nm gesetzt war, daß die Dicke der InGaAs-Schicht 106 innerhalb des Bereiches von 1 nm bis 6 nm geändert werden kann. Wenn jedoch die Dicke der InGaAs-Schicht 106 größer wird, erlangt die Verteilung der Elektronen zur Gateelektrode eine größere Entfernung und die Verbesserung der Hochfrequenzcharakteristik wird unterdrückt. Daher liegt die Dicke vorzugsweise im Bereich von 1 nm bis 4 nm.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform hat die aktive Schicht die InGaAs-Schicht 103 (InAs-Zusammensetzungsverhältnis 0,53, Dicke 9 nm) und die InGaAs-Schicht 107 (InAs-Zusammensetzungsverhältnis 0,53, Dicke 1 nm) zusätzlich zu der InAs-Schicht 105 und den InGaAs-Schichten 104, 106. Die InGaAs-Schichten 103, 107 können jedoch weggelassen werden. Fig. 4 zeigt einen Querschnitt zur Erläuterung einer derartigen Ausführungsform des Feldeffekttransistors gemäß der vorliegenden Erfindung. Fig. 5 zeigt ein Diagramm einer Energiebandstruktur der Ausführungsform gemäß Fig. 4. Es wurde herausgefunden, daß diese Ausführungsform einen ähnlichen Effekt wie die Ausführungsform gemäß Fig. 2 erzielte.
Ferner kann das InAs-Zusammensetzungsverhältnis jeder der folgenden Schichten InAlAs-Pufferschicht 102, InAlAs-Zwischenschicht 108, InAlAs-Trägerzufuhrschicht 109 und InAlAs-Schottky-Schicht 110 innerhalb des Bereiches von 0 bis 1 geändert werden. Ferner können diese Schichten aus GaAs, AlGaAs, AlAs, InP oder AlSb bestehen.
Ferner kann die Konzentration der Fremdatome in der InAlAs- Trägerzufuhrschicht 109 auf irgendeinen gewünschten Wert gesetzt sein. Bezogen auf das Fremdatom wurde bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform Si, ein Fremdatom vom n-Typ verwendet, da Elektronen als Träger gewählt waren. Es können jedoch auch andere n-Fremdatome, wie beispielsweise S oder Se verwendet werden. Wenn Leerstellen als Träger gewählt sind, kann ein p-Fremdatom wie beispielsweise Be, C od. dgl. verwendet werden.
Wie vorstehend angegeben, zeigt gemäß der vorliegenden Erfindung der Feldeffekttransistor, daß die aktive Schicht die InxGa1-xAs (mit 0,65 < x < 0,85)/InAs/InyGa1-yAs (mit 0,65 < y < 0,85)-Struktur hat und die meisten der Elektronen innerhalb der InAs-Schicht und der InGaAs-Schichten mit dem InAs-Zusammensetzungsverhältnis oberhalb von 0,65 und unterhalb von 0,85 akkumuliert werden können, die ein hohes Elektronentranspottverhalten haben, so daß eine ausgezeichnete Hochfrequenzcharakteristik erzielt werden kann, um eine hohe Grenzfrequenz und hohe Steilheit zu erhalten.

Claims

1. Feldeffekttransistor auf einem INP-Substrat (101) mit:

einer Trägerzuführschicht (109); und

einer aktiven Schicht (103-107) die zwischen dem Substrat (101) und der Trägerzufuhrschicht (109) angeordnet ist, wobei die aktive Schicht (103-107) eine erste InGaAs-Schicht (104), eine zweite InGaAs-Schicht (106) und eine dazwischen angeordnete gedehnte (strained) InAs-Schicht (105) aufweist, wobei die InAs-Schicht (105) eine Dicke im Bereich von 4 nm bis 10 nm hat, wobei die InGaAs-Schicht (104) gedehnt und angeordnet ist auf der Substratseite der InAs-Schicht (105) und eine Dicke hat von mehr als 2 nm und weniger als 6 nm und eine Zusammensetzung, die dargestellt wird durch die Formel InxGa1-xAs (wobei 0,65 < x < 0,85), wobei die zweite InGaAs- Schicht (106) gedehnt ist und eine Dicke von mehr als 1 nm und weniger als 4 nm hat und eine Zusammensetzung, die dargestellt wird durch die Formel InyGa1-yAs (wobei 0,65 < y < 0,85).

2. Feldeffekttransistor nach Anspruch 1, wobei die aktive Schicht (103-107) ferner eine dritte In- GaAs-Schicht (103) aufweist, die mit der Substratseite der ersten InGaAs-Schicht (104) angeordnet ist, und eine vierte InGaAs-Schicht (107), die auf der Substratgegenseite der zweiten InGaAs-Schicht (106) angeordnet ist, wobei die dritte InGaAs-Schicht (103) eine Zusammensetzung hat, die durch die Formel InaGa1-aAs (mit 0,5 < a < 0,55) dargestellt wird, wobei die vierte InGaAs-Schicht (107) eine Zusammensetzung hat, die durch die Formel InbGa1-bAs (mit 0,50 < b < 0,55) dargestellt wird.