JP2610658B2 - Semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device

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JP2610658B2
JP2610658B2 JP24513888A JP24513888A JP2610658B2 JP 2610658 B2 JP2610658 B2 JP 2610658B2 JP 24513888 A JP24513888 A JP 24513888A JP 24513888 A JP24513888 A JP 24513888A JP 2610658 B2 JP2610658 B2 JP 2610658B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は耐放射線性が要求される機器に使用される半
導体装置に関するものである。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a semiconductor device used for equipment requiring radiation resistance.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

宇宙空間や原子炉近傍などで使用されるデバイスは、
いわゆる耐放射線性が要求される。放射線にはガンマ
(γ)線のほか中性子線、陽子線などが含まれるが、こ
れらの被爆限界は一般に、シリコン(Si)デバイスで1
×106レントゲン、ガリウムヒ素(GaAs)デバイスで1
×108レントゲン程度となっている(「宇宙開発関連シ
ンポジウム講演要旨集」P.35〜38)。
Devices used in space or near reactors are:
So-called radiation resistance is required. Radiation includes gamma (γ) rays, as well as neutrons and protons, and the exposure limit for these is generally one silicon (Si) device.
× 10 6 x-ray, 1 for gallium arsenide (GaAs) device
× 10 8 x-rays ("Symposium on Space Development", p.35-38).

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be solved by the invention]

GaAsデバイスの耐放射線性を向上させる技術として
は、例えば次のようなものが従来から提案されている。
第1は、n型の活性層の下側にp型層を埋め込み、これ
によって基板へのリーク電流を低減することで、特に閾
値電圧の点で耐放射線性を向上させるものである。第2
は、ゲート長を短くするものであり、第3は、n型の活
性層を薄くしてキャリア濃度を上げるものである。
As a technique for improving the radiation resistance of a GaAs device, for example, the following has been conventionally proposed.
First, a p-type layer is buried under the n-type active layer, thereby reducing leakage current to the substrate, thereby improving radiation resistance, particularly in terms of threshold voltage. Second
The third is to shorten the gate length, and the third is to increase the carrier concentration by thinning the n-type active layer.

しかしながら、従来のものは総線量Rが1×108レン
トゲン程度までの耐放射線性はあるが、十分に実用的な
レントゲン(1×109レントゲン)とは言えない。ま
た、上記第3のタイプに関しては、一般的には活性層の
薄層化は必要とされているものの、回路設計上必要とさ
れるトランジスタ特性を得るという観点からの検討は全
くなされておらず、従って1×109レントゲン程度の耐
放射線性を有する実用的なトランジスタはこれまで実現
されていない。
However, the conventional one has radiation resistance up to a total dose R of about 1 × 10 8 x-rays, but cannot be said to be a sufficiently practical x-ray (1 × 10 9 x-rays). Further, regarding the third type, although thinning of the active layer is generally required, no study has been made from the viewpoint of obtaining transistor characteristics required for circuit design. Therefore, a practical transistor having radiation resistance of about 1 × 10 9 x-rays has not been realized so far.

そこで本発明は、簡単な構成により、特に閾値電圧の
変化の点から更に耐放射線性を向上させることのできる
半導体装置を提供することを目的とする。
Therefore, an object of the present invention is to provide a semiconductor device that can further improve radiation resistance with a simple configuration, particularly in terms of a change in threshold voltage.

〔課題を解決するための手段〕[Means for solving the problem]

本発明者はGaAsMESFETに放射線を照射したときに、Ga
AsMESFETの閾値電圧Vthの変化量ΔVthが活性層の実効的
な厚さaおよびキャリア濃度NDの変化量ΔNDと一定の関
係を有するという事実に着目した上で、上記の変化量Δ
NDが総線量Rと一定の定量的関係を有することを発見
し、本発明を完成した。
The present inventors have found that when irradiating GaAs MESFETs with radiation,
On the change amount [Delta] V th of the threshold voltage V th of AsMESFET have focused on the fact that with a variation .DELTA.N D and constant relationship the effective thickness a and the carrier concentration N D of the active layer, the amount of change in the Δ
N D is found to have a certain quantitative relation between the total dose R, the present invention has been completed.

すなわち本発明は、キャリア濃度がNDの活性層がGaAs
中に深さ方向で略一様に不純物をドーピングして形成さ
れかつ閾値電圧がVthのMESFETと、このMESFETの閾値電
圧のVthの変化量ΔVthが許容変化量ΔVthL以内であると
きに正常に動作するように当該MESFETと組み合わせて構
成された信号処理回路とを備え、総線量Rが1×109
ントゲン以上の1×1010レントゲン以下の放射線照射環
境下で使用され得る半導体装置であって、総線量Rの放
射線照射によるキャリア濃度NDの減少量をΔND、活性層
の誘電率をε、電子の電荷をqとしたときに、活性層の
放射線照射前のキャリア濃度NDが1×1017cm-3以上1×
1019cm-3以下であり、かつ、活性層の実効的な厚さaが a<{(2ε・ΔVthL)/(q・ΔND)}1/2 であることを特徴とする。このとき、キャリア濃度ND
近似的に ND={[2ε/(q・a2)]・(Vbi−Vth)} となる。ここで、VbiはMESFETのビルトイン電圧であ
る。
That is, the present invention, the active layer of the carrier concentration N D is GaAs
And MESFET of V th substantially formed uniformly doped with an impurity and the threshold voltage in the depth direction is in, when the change amount [Delta] V th of V th of the threshold voltage of the MESFET is within the allowable change amount [Delta] V thL And a signal processing circuit configured in combination with the MESFET so as to operate normally, and a semiconductor device that can be used in a radiation irradiation environment in which the total dose R is equal to or more than 1 × 10 9 x-rays and equal to or less than 1 × 10 10 x-rays. a is decreased amount .DELTA.N D of the carrier concentration N D by irradiation of total dose R, the dielectric constant of the active layer epsilon, the electron charge is taken as q, the carrier density before irradiation of the active layer N D is 1 × 10 17 cm -3 or more 1 ×
10 19 cm −3 or less, and the effective thickness a of the active layer is a <{(2ε · ΔV thL ) / (q · ΔN D )} 1/2 . At this time, the carrier concentration N D is approximately N D = {[2ε / (q · a 2 )] · (V bi −V th )}. Here, V bi is the built-in voltage of the MESFET.

〔作用〕 本発明によれば、照射される放射線の総線量Rが1×
109レントゲン以下の場合はもちろん、1×109レントゲ
ン以上1×1010レントゲン以下でもあらかじめ設定され
た放射線量の下では、GaAsMESFETの閾値電圧Vthは所定
範囲(信号処理回路によって定まる許容範囲)に収ま
り、従ってGaAsMESFETとこれに協動する信号処理回路と
を備えて構成される半導体装置は、当初の設計値通りに
正常に動作することになる。
[Operation] According to the present invention, the total dose R of the irradiated radiation is 1 ×
The threshold voltage Vth of the GaAs MESFET is within a predetermined range (permissible range determined by the signal processing circuit) under a preset radiation dose, not to mention less than 10 9 X-rays but also from 1 × 10 9 X-rays to 1 × 10 10 X-rays. Therefore, the semiconductor device including the GaAs MESFET and the signal processing circuit cooperating with the GaAs MESFET operates normally as originally designed.

〔実施例〕〔Example〕

以下、本発明の原理および構成を図面を参照して詳細
に説明する。
Hereinafter, the principle and configuration of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

本発明の半導体装置はGaAsからなるMESFETと、これと
協動するように組み合された信号処理回路を有し、この
MESFETと信号処理回路により例えば増幅回路、インバー
タ、発振回路などの組合せ回路などが構成される。この
組合せ回路におけるMESFETは所定の閾値電圧Vthを有す
るが、この閾値電圧Vthは放射線照射環境下で変化する
ことが従来から知られている。そして、変化した後の閾
値電圧VthAが信号処理回路によりあらかじめ要求されて
いる範囲外の値になると、この組合せ回路は正常に動作
しなくなる。以下、本明細書ではこの許容範囲における
閾値電圧Vthの変化量ΔVthの許容値を、許容変化量ΔV
thLと定義して説明する。
The semiconductor device of the present invention has a MESFET made of GaAs and a signal processing circuit combined so as to cooperate therewith.
The MESFET and the signal processing circuit constitute a combination circuit such as an amplifier circuit, an inverter, and an oscillation circuit. The MESFET in this combinational circuit has a predetermined threshold voltage V th, and it is conventionally known that the threshold voltage V th changes under a radiation irradiation environment. If the changed threshold voltage V thA falls outside the range required in advance by the signal processing circuit, the combination circuit does not operate normally. Hereinafter, in this specification, the allowable value of the variation ΔV th of the threshold voltage V th in this allowable range is referred to as the allowable variation ΔV
It is defined and described as thL .

上記のように、MESFETの閾値電圧Vthは放射線照射環
境下で変化することが知られているが、この変化の原因
については、第1に放射線による活性層のキャリア濃度
の減少、第2に放射線による電子移動度の低下などが報
告されている。本発明者は、上記の第1の点について詳
細な検討を行ない、活性層におけるキャリア濃度NDの減
少量ΔNDと照射放射線の総線量Rの間には、 ΔND=b・RC …(1) の関係が成り立つことを見出した。ここで、b,cは共に
定数であって、(1)式は活性層の初期(放射線照射
前)のキャリア濃度NDが1×1017〜1×1019cm-3であ
り、かつ照射される放射線の総線量Rが1×108〜1×1
010レントゲンの範囲において成立する。この場合、定
数b,cは活性層の初期キャリア濃度や放射線のエネルギ
ーあるいは基板の品質等のばらつきにより、ある程度の
幅をもっている。本発明者の実験によれば、定数b,cは 1.99×1010≦b≦3.98×1010 0.5≦c≦0.8 程度の幅を有しており、代表的な値としてはb=3.06×
1010、c=0.678であり、従ってキャラ濃度減少量ΔND
の代表値は ΔND=3.06×1010・R0.678 と表わすことができる。
As described above, it is known that the threshold voltage V th of the MESFET changes under a radiation irradiation environment. The causes of this change are firstly a decrease in the carrier concentration of the active layer due to radiation, and secondly. Reductions in electron mobility due to radiation have been reported. The present inventors have conducted a detailed study about the points first described above, between the total dose R of reduction .DELTA.N D irradiation radiation of carrier concentration N D of the active layer, ΔN D = b · R C ... (1) was found to hold. Here, b, c is a both constant, equation (1) is the carrier concentration N D is 1 × 10 17 ~1 × 10 19 cm -3 in the initial active layer (before irradiation with a radiation), and radiation The total dose R of radiation to be applied is 1 × 10 8 to 1 × 1
0 It is established in the range of 10 X-rays. In this case, the constants b and c have a certain width due to variations in the initial carrier concentration of the active layer, the energy of the radiation, the quality of the substrate, and the like. According to the experiments of the present inventors, the constants b and c have a width of about 1.99 × 10 10 ≦ b ≦ 3.98 × 10 10 0.5 ≦ c ≦ 0.8, and a typical value is b = 3.06 ×
10 10 a c = 0.678, therefore characters concentration decrease .DELTA.N D
Can be expressed as ΔN D = 3.06 × 10 10 · R 0.678 .

以下、この(1)式の関係を発見するに至った実験を
説明する。
Hereinafter, an experiment which led to the discovery of the relationship of the equation (1) will be described.

まず、第1図に断面図で示すリセスゲート構造のGaAs
MESFETを用意する。同図に示す通り、半絶縁性のGaAs基
板1上にn型活性層2およびn+型コンタクト層3をエピ
タキシャル成長法で形成し、ゲート領域のn型活性層2
およびn+型コンタクト層3の一部をエッチングで除去し
てリセス構造とする。次に、真空蒸着法でn+型コンタク
ト層3上にソース電極4およびドレイン電極5をオーミ
ック金属で形成し、n型活性層2上にゲート電極6をシ
ョットキ金属で形成する。ここで、ゲート電極6の直下
におけるn型活性層2を従来品に比べて十分に薄く、具
体的には実効厚さaは500Å程度(従来品は1000Å前
後)とし、n型活性層2のキャリア濃度NDは従来品に比
べて高濃度に、具体的には1×1018cm-3とする。
First, GaAs having a recess gate structure shown in a sectional view in FIG.
Prepare MESFET. As shown in FIG. 1, an n-type active layer 2 and an n + -type contact layer 3 are formed on a semi-insulating GaAs substrate 1 by an epitaxial growth method, and an n-type active layer 2 in a gate region is formed.
And a part of n + -type contact layer 3 is removed by etching to form a recess structure. Next, the source electrode 4 and the drain electrode 5 are formed of an ohmic metal on the n + -type contact layer 3 by a vacuum deposition method, and the gate electrode 6 is formed of a Schottky metal on the n-type active layer 2. Here, the n-type active layer 2 immediately below the gate electrode 6 is sufficiently thinner than the conventional product, specifically, the effective thickness a is about 500 ° (about 1000 ° in the conventional product). the carrier concentration N D in a high concentration as compared with the conventional products, in particular to 1 × 10 18 cm -3.

このようなGaAsMESFETの閾値電圧Vthの理論値は、培
風館「超高速化合物半導体デバイス」P.63によれば、 Vth=Vbi−(q・ND・a2)/2ε …(2) として求めることができる。ここで、VbiはMESFETのビ
ルトイン電圧、qは電子の電荷、εはn型活性層2の誘
電率である。従って、放射線の照射によりn型活性層2
のキャリア濃度NDがNDAになったとすると、放射線照射
後の閾値電圧VthAは VthA=Vbi−(q・NDA・a2)/2ε …(3) となる。このため、放射線照射による閾値電圧Vthのず
れ量ΔVthは ΔVth=VthA−Vth ={Vbi−(q・NDA・a2)/2ε} −{Vbi−(q・ND・a2)/2ε} ={(q・a2)/2ε}・(ND−NDA) …(4) となるので、放射線照射にるキャリア濃度の減少量をΔ
NDとすると、 ΔVth={(q・a2)/2ε}・ND …(5) となる。
Theoretical value of the threshold voltage V th of such GaAsMESFET, according to Baifukan "Ultrafast compound semiconductor device" P.63, V th = V bi - (q · N D · a 2) / 2ε ... (2) Can be obtained as Here, V bi is the built-in voltage of the MESFET, q is the electron charge, and ε is the dielectric constant of the n-type active layer 2. Therefore, irradiation of the n-type active layer 2
When the carrier concentration N D of the became N DA, the threshold voltage V thA after Irradiation V thA = V bi - a (q · N DA · a 2 ) / 2ε ... (3). For this reason, the shift amount ΔV th of the threshold voltage V th due to irradiation is ΔV th = V thA −V th = {V bi − (q · N DA · a 2 ) / 2ε} − {V bi − (q · N D · a 2 ) / 2ε} = {(q · a 2 ) / 2ε} · (N D −N DA ) (4) Therefore, the amount of decrease in carrier concentration due to radiation irradiation is Δ
Assuming that N D , ΔV th = {(q · a 2 ) / 2ε} · N D (5)

次に、本発明者は活性層2の実効厚さを500Åとした
第1図のMESFETを用いて、総線量R=1×188、1×109
および3×109レントゲンのガンマ線を照射し、閾値電
圧Vthの変化量ΔVthを調べた。その結果、第2図に黒点
で示すような結果が得られた。そこで、(5)式に従っ
て、第2図の結果から総線量R=1×108、1×109、3
×109レントゲンの場合のキャリア濃度の変化量(減少
量)ΔNDを求めると、第3図の黒点のようになり、先に
示した ΔND=3.06×1010・R0.678 …(1) の関係式(第3図中の点線)が成り立つことがわかっ
た。この(1)式の関係を第2図にあてはめると、図中
の点線のようになり、実験結果と理論値がよく一致して
いる。また、第2図においては、R=1×109レントゲ
ンの放射線照射においても閾値電圧の変化量ΔVthは0.0
75V程度の低い値になっている。従って、活性層2の厚
さaを500Å程度としたときには、耐放射線性が著しく
向上することが確認できた。
Then, the present inventors using the MESFET of the first view and 500Å effective thickness of the active layer 2, the total dose R = 1 × 18 8, 1 × 10 9
And 3 × 10 9 was irradiated with gamma rays Roentgen, was examined variation [Delta] V th of the threshold voltage V th. As a result, the result shown by a black dot in FIG. 2 was obtained. Therefore, according to the equation (5), the total dose R = 1 × 10 8 , 1 × 10 9 , 3
× 10 9 variation of carrier concentration in the case of X-ray when obtaining the (decrease) .DELTA.N D, now black point of FIG. 3, .DELTA.N indicated above D = 3.06 × 10 10 · R 0.678 ... (1) (Dotted line in FIG. 3) holds. When the relationship of the equation (1) is applied to FIG. 2, it becomes as shown by a dotted line in the figure, and the experimental results and the theoretical values are in good agreement. In the second diagram, the variation [Delta] V th of the threshold voltage in irradiation of R = 1 × 10 9 Roentgen 0.0
It is a low value of about 75V. Therefore, it was confirmed that when the thickness a of the active layer 2 was about 500 °, the radiation resistance was significantly improved.

上記の(1)式の関係は、R=1×108、1×109、3
×109レントゲンの3つの放射線照射量における実測値
から求めたものであり、一般式を導くためのデータとし
てはやや不十分であると言うことも可能である。そこ
で、更に本発明者は、幾何学形状においてほぼ同一構造
であって、活性層2の実効的な厚さaを1130Åとしキャ
リア濃度NDを2.09×1017cm-3としたイオン注入による従
来タイプのGaAsMESFETを用いて、コバルト60によるガン
マ線の照射実験を行なった。この場合、総線量はR=1
×106、1×107、1×108、3×108、1×109、2×1
09、3×109とした。得られた閾値電圧Vthの変化は第4
図の黒点のようになり、点線で示す理論値とよく一致し
た。しかしながら、R=1×109レントゲンの放射線照
射後の閾値変化量ΔVthは0.4V程度になり、第2図のも
のに比べてかなり劣っていた。
The relationship of the above equation (1) is as follows: R = 1 × 10 8 , 1 × 10 9 , 3
It is those determined from the measured values in the three radiation dose of × 10 9 X-ray, as the data for guiding the general formula can also be said to be somewhat inadequate. Therefore, The present inventor has a substantially identical structure in geometry, conventionally the effective thickness a of the active layer 2 and 1130Å and the carrier concentration N D by ion implantation and 2.09 × 10 17 cm -3 A gamma ray irradiation experiment with cobalt 60 was performed using a type GaAs MESFET. In this case, the total dose is R = 1
× 10 6 , 1 × 10 7 , 1 × 10 8 , 3 × 10 8 , 1 × 10 9 , 2 × 1
0 9 and 3 × 10 9 . The change in the obtained threshold voltage V th is the fourth
The result was like a black point in the figure, which was in good agreement with the theoretical value indicated by the dotted line. However, the threshold change amount ΔV th after the irradiation of R = 1 × 10 9 radiographs was about 0.4 V, which was considerably inferior to that of FIG.

これらの実験の結果、第1に、放射線損傷におけるME
SFETの特性劣化の主たる原因は活性層におけるキャリア
濃度の減少にあり、関係式(1)は放射線照射下のキャ
リア濃度の減少を極めてよく説明していることがわかっ
た。第2に、(5)式においてq,εは定数であり、ΔND
は放射線量に依存して(1)式により定まるのであるか
ら、活性層の厚さaの設定のみにより閾値変化量ΔVth
を所定値に設定できることがわかった。具体的には、従
来品のように活性層2の厚さaを1000Å前後としたとき
には、耐放射線性は第4図のように不十分なものになっ
ているが、厚さaを500Åに設定したときには、第2図
のように耐放射線性は著しく改善される。
As a result of these experiments, firstly, ME in radiation damage
The main cause of the deterioration of the characteristics of the SFET is the decrease in the carrier concentration in the active layer, and it has been found that the relational expression (1) explains the decrease in the carrier concentration under irradiation with radiation very well. Second, a q, epsilon is a constant in the equation (5), .DELTA.N D
Is determined by the equation (1) depending on the radiation dose, the threshold change amount ΔV th is determined only by setting the thickness a of the active layer.
Can be set to a predetermined value. Specifically, when the thickness a of the active layer 2 is set to about 1000 ° like a conventional product, the radiation resistance is insufficient as shown in FIG. 4, but the thickness a is reduced to 500 °. When set, the radiation resistance is significantly improved as shown in FIG.

以上の知見にもとづき、総線量Rが1×109レントゲ
ン以下の場合はもちろん、1×109レントゲン以上1×1
010レントゲン以下の放射線照射環境下であっても正常
に動作する半導体装置の構造を、特に活性層2の厚さの
点から特定することができる。すなわち、GaAsMESFETが
信号処理回路と組み合されて上記半導体装置が形成さ
れ、MESFETの閾値電圧Vthの許容変化量がΔVthLである
ときに、半導体装置に係る組み合せ回路が設計値通りの
動作をするためには、活性層2の実効的な厚さaは
(5)式より a<{(2ε・ΔVthL)/(q・ΔND)}1/2 …(6) でなければならず、この場合の活性層2のキャリア濃度
NDは(2)式より ND={[2ε/(q・a2)]・(Vbi−Vth)}…(7) となる。ここで、総線量R=1×109レントゲンについ
て、閾値電圧Vthの許容変化量を ΔVthL=0.1V(ΔVth<0.1V)として具体的に計算する
と、キャリア濃度の変化量ΔNDは(1)式より ΔND=3.87×1016cm-3 となり、実効的な活性層2の厚さaは(6)式より585
Å以下(第2図に対応するMESFETでは500Å)となる。
そして、このような活性層2の厚さにおいて閾値電圧V
thを Vth=−1.2V としたときには、活性層2のキャリア濃度NDは(7)式
より7.353×1017cm-3となる。但し、 誘電率ε=ε・ε =12.0×8.85×10-12F/m 電子の電荷q=1.602×10-19C ビルトイン電圧Vbi=0.7V とする。
Based on the above findings, when the total dose R is less than 1 × 10 9 x-rays, of course, it is more than 1 × 10 9 x-rays and 1 × 1
The structure of a semiconductor device that operates normally even under a radiation irradiation environment of 10 X-rays or less can be specified particularly from the viewpoint of the thickness of the active layer 2. That is, when the GaAs MESFET is combined with the signal processing circuit to form the semiconductor device, and the allowable change amount of the threshold voltage Vth of the MESFET is ΔV thL , the combination circuit according to the semiconductor device operates as designed. In order to achieve this, the effective thickness a of the active layer 2 must be a <{(2ε ・ ΔV thL ) / ( qΔΔN D ) よ り 1/2 (6) according to equation (5). , The carrier concentration of the active layer 2 in this case
N D is the (2) N D = from equation {[2ε / (q · a 2)] · (V bi -V th)} ... (7). Here, the total dose R = 1 × 10 9 Roentgen, specific calculating the allowable change amount of the threshold voltage V th as ΔV thL = 0.1V (ΔV th < 0.1V), the variation .DELTA.N D of the carrier concentration From equation (1), ΔN D = 3.87 × 10 16 cm −3 , and the effective thickness a of the active layer 2 is 585 from equation (6).
Å (500 で は for the MESFET corresponding to FIG. 2).
Then, the threshold voltage V
when the V th = -1.2 V is the th, the carrier concentration N D of the active layer 2 becomes 7.353 × 10 17 cm -3 from (7). Here, the dielectric constant ε = ε S · ε O = 12.0 × 8.85 × 10 −12 F / m Charge of electron q = 1.602 × 10 −19 C Built-in voltage V bi = 0.7V.

耐放射線性に関する本発明品と従来品の比較を、第5
図に示す。同図において、(イ),(ロ),(ハ)の曲
線は従来から市販のMESFETの特性を示しており、特に
(ロ)の曲線は活性層2の実効的な厚さaを1130Åとし
た第4図の特性に対応している。また、曲線(ニ)は市
販のHEMT(高電子移動度トランジスタ)の特性を示して
いる。同図から明らかなように、これら従来品では総線
量R=1×109レントゲンでの閾値変化量ΔVthは0.2〜
0.3V程度以上の高い値になっている。一方、n型活性層
の下側にp型層を埋め込んで基板へのリーク電流を低減
させたMESFETの特性は、同図中の曲線(ホ)のようにな
り、R=1×109レントゲンで変化量ΔVthが0.12V程度
に抑えられている。これに対し、活性層2の実効的厚さ
aを500Åとした(第2図の特性のものに対応した)本
発明の構造では、曲線(ヘ)の如くR=1×109レント
ゲンでも変化量ΔVthは0.1Vよりも十分低い値に抑えら
れ、著しく耐放射線性が向上していることがわかる。
Comparison of the product of the present invention and the conventional product with respect to radiation resistance
Shown in the figure. In the figure, the curves (a), (b) and (c) show the characteristics of a conventional MESFET, and especially the curve (b) shows that the effective thickness a of the active layer 2 is 1130 °. This corresponds to the characteristic shown in FIG. Curve (d) shows the characteristics of a commercially available HEMT (high electron mobility transistor). As is clear from the figure, in these conventional products, the threshold change amount ΔV th at the total dose R = 1 × 10 9 X-rays is 0.2 to
It is a high value of about 0.3V or more. On the other hand, the characteristics of MESFET with reduced leakage current to the substrate by burying the p-type layer below the n-type active layer is as shown in curve in the diagram (e), R = 1 × 10 9 Roentgen Thus, the variation ΔV th is suppressed to about 0.12 V. On the other hand, in the structure of the present invention in which the effective thickness a of the active layer 2 was set to 500 ° (corresponding to the characteristic shown in FIG. 2), even if R = 1 × 10 9 X-ray as shown by the curve (f), It can be seen that the amount ΔV th is suppressed to a value sufficiently lower than 0.1 V, and the radiation resistance is significantly improved.

本発明については、上記実施例に限定されるものでは
なく、種々の変形が可能である。
The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications are possible.

例えば、活性層の形式はエピタキシャル成長法に限ら
ず、イオン注入法を用いてもよい。また、第1図のよう
なリセスゲート構造とすることも必須ではない。
For example, the type of the active layer is not limited to the epitaxial growth method, but may be an ion implantation method. Further, it is not essential to form a recess gate structure as shown in FIG.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上、詳細に説明した通り本発明では、照射される放
射線の総線量Rが1×109レントゲン以下の場合はもち
ろん、1×109レントゲン以上1×1010レントゲン以下
であってもGaAsMESFETの閾値電圧Vthは所定の許容範囲
に収まり、従ってGaAsMESFETとこれに協動する信号処理
回路とを備えて構成される半導体装置は、当初の設計値
通りに正常に動作することになり。このため、耐放射線
性を著しく向上させることが可能になる。
As described above in detail, in the present invention, the threshold value of the GaAs MESFET is not limited to the case where the total dose R of the irradiated radiation is 1 × 10 9 X-rays or less, or even 1 × 10 9 X-rays or more and 1 × 10 10 X-rays or less. The voltage Vth falls within a predetermined allowable range, so that the semiconductor device including the GaAs MESFET and the signal processing circuit cooperating therewith operates normally as originally designed. Therefore, the radiation resistance can be significantly improved.

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

第1図は、本発明の原理を説明するGaAsMESFETの断面
図、第2図は、本発明構造のMESFETの閾値変化量ΔVth
の放射線量Rに対する依存性を示す図、第3図は、キャ
リア濃度減少量ΔNDの放射線量Rに対する依存性を示す
図、第4図は、従来構造のMESFETの閾値電圧Vthの変化
の放射線量Rに対する依存性を調べた実験の結果を示す
図、第5図は、本発明品の耐放射線性を従来品と比較し
た特性図である。 1……GaAs基板、2……n型活性層、3……n+型コンタ
クト層
FIG. 1 is a cross-sectional view of a GaAs MESFET illustrating the principle of the present invention, and FIG. 2 is a threshold change amount ΔV th of a MESFET having a structure of the present invention.
Shows the dependence of the relative radiation dose R, FIG. 3 is a diagram showing a dependency on dose R of carrier concentration decrease .DELTA.N D, Fig. 4, the change in the threshold voltage V th of the MESFET of the conventional structure FIG. 5 is a graph showing the results of an experiment for examining the dependence on the radiation dose R. FIG. 5 is a characteristic diagram comparing the radiation resistance of the product of the present invention with the conventional product. 1 ...... GaAs substrate, 2 ...... n-type active layer, 3 ...... n + -type contact layer

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】キャリア濃度がNDの活性層がGaAs中に深さ
方向で略一様に不純物をドーピングして形成されかつ閾
値電圧がVthにされたMESFETと、 このMESFETの閾値電圧Vthの変化量ΔVthが許容変化量Δ
VthL以内であるときに正常に動作するように当該MESFET
と組み合わせて構成された信号処理回路とを備え、総線
量Rが1×109レントゲン以上1×1010レントゲン以下
の放射線照射環境下で使用され得る半導体装置であっ
て、 前記総線量Rの放射線照射による前記キャリア濃度ND
減少量をΔND、前記活性層の誘電率をε、電子の電荷を
qとしたときに、 前記キャリア濃度NDが1×1017cm-3以上1×1019cm-3
下であり、かつ、 前記活性層の実効的な厚さaが a<{(2ε・ΔVthL)/(q・ΔND)}1/2 であり、 前記キャリア濃度の減少量ΔNDが、b,cを定数としたと
きに ΔND=b・RC であることを特徴とする半導体装置。
And 1. A MESFET which substantially uniformly formed by doping impurity and threshold voltage active layers of the carrier concentration N D is the depth direction in the GaAs is the V th, the threshold voltage V of the MESFET th change amount ΔV th is allowable change amount Δ
The relevant MESFET to operate normally when it is within V thL
And a signal processing circuit configured in combination with the radiation source, wherein the semiconductor device can be used in a radiation irradiation environment where the total dose R is not less than 1 × 10 9 X-rays and not more than 1 × 10 10 X-rays. decrease amount .DELTA.N D of the carrier concentration N D by irradiation, the dielectric constant of the active layer epsilon, the electron charge is taken as q, the carrier concentration N D of 1 × 10 17 cm -3 to 1 × 10 19 cm −3 or less, and the effective thickness a of the active layer is a <{(2ε ・ ΔV thL ) / (q ・ ΔN D )} 1/2 , and the amount of decrease in the carrier concentration .DELTA.N D is a semiconductor device which is a ΔN D = b · R C when b, and c are constants.
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