JP2610659B2 - Semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device

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JP2610659B2
JP2610659B2 JP24513988A JP24513988A JP2610659B2 JP 2610659 B2 JP2610659 B2 JP 2610659B2 JP 24513988 A JP24513988 A JP 24513988A JP 24513988 A JP24513988 A JP 24513988A JP 2610659 B2 JP2610659 B2 JP 2610659B2
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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
レベル(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高キャ
リア濃度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 level (1 × 10 9 x-rays). Although the third type generally requires a high carrier concentration in the active layer, 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-ray has not been realized so far.

そこで本発明は、簡単な構成により、特にソース・ド
レイン間飽和電流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 view of a change in source-drain saturation current.

〔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のソース・ドレイン間飽和電流Idssの変化率α
=IdssA/Idss(IdssAは変化後のIdss)が活性層のキャ
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ΔND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,
Change rate α of source-drain saturation current I dss of AsMESFET
= I dssA / I dss (I dssA the I dss after the change) on which is focused on the fact that with a variation .DELTA.N D and certain relationship of the carrier concentration N D of the active layer, the amount of change .DELTA.N D is The present inventors have found that they have a certain quantitative relationship with the total dose R, and have completed the present invention.

すなわち本発明は、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たMESFETと、このMESFETの
ソース・ドレイン間飽和電流Idssの変化後の値をIdssA
としたときの変化率α=IdssA/Idssが許容変化率α
内であるときに正常に動作するように当該MESFETと組み
合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、総線量
Rの放射線照射による活性層のキャリア濃度減少量をΔ
ND、活性層における放射線照射前、後のキャリア移動度
をそれぞれμ,μ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、 ND>ΔND/{1−[α(μ/μ)]1/2} であることを特徴とする。このとき、活性層の実効的な
厚さaは近似的に a={(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 includes a MESFET which is formed by doping impurities substantially uniform in the depth direction during GaAs, the value after the change in the source-drain saturation current I dss of the MESFET I DSSA
And a signal processing circuit configured in combination with the MESFET to operate normally when the change rate α = I dssA / I dss is within the allowable change rate α L when the total dose R is 1
A semiconductor device which can be used in a radiation irradiation environment of not less than × 10 9 X-rays and not more than 1 × 10 10 X-rays, wherein a carrier concentration reduction amount of an active layer due to irradiation of a total dose R is Δ
N D, before irradiation of the active layer, the carrier mobility after each mu, when the mu A, the carrier concentration N D of the previous irradiation of the active layer, N D> ΔN D / { 1- [α L (μ / μ A )] 1/2 }. At this time, the effective thickness a of the active layer is approximately a = {(2ε / q · a 2 ) · (V bi −V th )}. Here, V bi is the built-in voltage of the MESFET.

〔作用〕[Action]

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レントゲン以下のあらかじめ設定された
放射線量の下では、GaAsMESFETのソース・ドレイン間飽
和電流Idss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。
According to the present invention, the total dose R of the irradiated radiation is 1 ×
Of course, if the 109 roentgens or less, under 1 × 10 9 roentgen least 1 × 10 10 Roentgen following preset dose, the source-drain saturation current I dss of GaAsMESFET a predetermined range (signal processing circuit 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は所定のソース・ドレイン間
飽和電流Idssを有するが、この飽和電流Idss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、変化した後の飽和電流IdssA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飽和電流Idssの変化率α=IdssA/
Idssの許容値を、許容変化率α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 combination circuit has a predetermined source-drain saturation current I dss, and it is conventionally known that this saturation current I dss changes under a radiation irradiation environment. Then, when the changed saturation current I dssA becomes a value outside the range previously required by the signal processing circuit, the combination circuit does not operate normally. Hereinafter, in this specification, the change rate α of the saturation current I dss in this allowable range α = I dssA /
The tolerance of the I dss, is described by defining the allowable rate of change alpha L.

上記のように、MESFETのソース・ドレイン間飽和電流
Idssは放射線照射により変化することが知られている
が、閾値電圧Vthについても放射線照射環境下で変化す
ることが知られている。これ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
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閾値電圧Vthの変化の実験値か
ら見出し、この関係が飽和電流Idssの変化の実験値を極
めて適切に説明していることを確認した。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、従ってキャリア濃度減少量ΔN
Dの代表値は ΔND=3.06×1010・R0.678 と表わすことができる。
As described above, the source-drain saturation current of MESFET
It is known that I dss changes by irradiation, but it is known that the threshold voltage V th also changes under the irradiation environment. For the cause of this change,
First, the carrier concentration of the active layer is reduced by radiation,
Reports that the electron mobility is reduced by radiation. 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 ... It was found from the experimental value of the change in the threshold voltage V th that the relationship (1) holds, and it was confirmed that this relationship explained the experimental value of the change in the saturation current I dss quite appropriately. A where b, c are both constants, equation (1) is a carrier concentration N D is 1 × 10 17 ~1 × 10 19 cm -3 in the initial active layer (before irradiation with a radiation), and irradiated Total radiation R is 1 × 10 8 -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 , c = 0.678, and therefore the carrier concentration decrease ΔN
A typical value of 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、放射線照射によるキャリア濃度の減少量を
ΔND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} = { a since (q · a 2) / 2ε } · (N D -N DA) ... (4), when the decrease of the carrier density by irradiation and .DELTA.N D, [Delta] V 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、キャ
リア濃度を1×1018cm-3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
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。
Next, the present inventor used the MESFET of FIG. 1 in which the effective thickness of the active layer 2 was 500 ° and the carrier concentration was 1 × 10 18 cm −3, and the total dose R = 1 × 18 8 , 1 × 10 8 irradiating the 9 and 3 × 10 9 roentgens gamma were 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. Accordingly, (5) in accordance with equation from the second view of the results, determine the total dose R = 1 × 10 8, 1 × 10 9, 3 × 10 9 variation of carrier concentration in the case of X-ray (decrease) .DELTA.N D It can be seen that the relational expression of ΔN 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.

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。
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.

次に本発明者は、第2図および第4図の閾値電圧Vth
の特性を得たGaAsMESFETと同一のMESFETを用いて、放射
線照射によるソース・ドレイン間飽和電流Idssの変化を
実測した。その結果、第2図の特性に対応して第5図の
ような飽和電流Idssの変化率αの特性が得られ、第4図
の特性に対応して第6図のような飽和電流Idssの変化の
特性が得られた。第5図および第6図において、黒点は
実験値であり、点線は下記に示す理論式(10)に前述の
(1)式を適用して得た理論値である。
Next, the inventor has determined that the threshold voltage V th in FIG. 2 and FIG.
The change of the source-drain saturation current I dss due to radiation irradiation was measured using the same MESFET as the GaAs MESFET having the characteristics described above. As a result, the characteristic of the change rate α of the saturation current I dss is obtained as shown in FIG. 5 corresponding to the characteristic of FIG. 2, and the saturation current I ds as shown in FIG. The characteristics of dss change were obtained. In FIGS. 5 and 6, the black points are experimental values, and the dotted lines are theoretical values obtained by applying the above-described equation (1) to theoretical equation (10) shown below.

そこで、次に飽和電流Idssの変化率α=IdssA/Idss
理論式を求める。まず、MESFETのソース・ドレイン間飽
和電流Idssは、ソース抵抗RSを無視した真性FETについ
て Idss {(Wg・μ・q2・ND 2・a3)/ (6ε・Lg)} ×{1−3(Vbi−VG)/Vp +2[Vbi−VG)/Vp3/2} …(6) となる。ここで、Wgはゲート幅、μな活性層2における
電子移動度、Lgはゲート長、VGはゲート電圧、Vpはピン
チオフ電圧である。計算を簡単にするためにVG=Vbi
時の飽和電流IdssをIDSSとすると、(6)式は IDSS=(Wg・μ・q2・ND 2・a3)/ (6ε・Lg) …(7) となる。従って、放射線照射による変化率αは、(7)
式より α=IDSSA/IDSS =(μ・NDA 2)/(μ・ND 2) …(8) となる。ここで、NDAは放射線照射後のキャリア濃度で
あり、 NDA=ND−ΔND …(9) であるから、(8)式は α={μ(ND−ND}/(μ・ND 2) …(10) となる。
Therefore, a theoretical formula of the change rate α = I dssA / I dss of the saturation current I dss is obtained next. First, the source-drain saturation current I dss of the MESFET, the intrinsic FET ignoring source resistance R S I dss = {(W g · μ · q 2 · N D 2 · a 3) / (6ε · L g )} × {1-3 (V bi -V G) / V p +2 [V bi -V G) / V p] 3/2} ... a (6). Here, W g is the electron mobility in the gate width, mu active layer 2, L g is the gate length, V G is the gate voltage, V p is the pinch-off voltage. When the saturation current I dss when the V G = V bi in order to simplify the calculations and I DSS, (6) Equation I DSS = (W g · μ · q 2 · N D 2 · a 3) / (6ε · L g ) (7) Therefore, the rate of change α due to irradiation is (7)
= Formula from α = I DSSA / I DSS ( μ A · N DA 2) / (μ · N D 2) ... a (8). Here, N DA is the carrier density after irradiation, since it is N DA = N D -ΔN D ... (9), (8) formula α = {μ A (N D -N D) 2} will become / (μ · N D 2) ... (10).

ここで、(10)式を検討すると、変化率αは電子移動
度μの放射線照射による変化(μ→μ)にも影響され
ることがわかるが、放射線照射前のキャリア濃度が1×
1018cm-3程度の場合にはμA/μ=0.95程度であり、高濃
度になるにつれて変化は小さくなる。そこで、μA/μ=
0.95として計算を行なったところ、結果は第5図および
第6図の点線のようになり、先に説明したように実験値
との一致が確認された。
Here, when examining equation (10), it can be seen that the rate of change α is also affected by the change in electron mobility μ due to irradiation (μ → μ A ), but the carrier concentration before irradiation is 1 ×
In the case of about 10 18 cm −3, μ A / μ is about 0.95, and the change becomes smaller as the concentration becomes higher. Therefore, μ A / μ =
When the calculation was performed with 0.95, the results were as shown by the dotted lines in FIGS. 5 and 6, and the agreement with the experimental value was confirmed as described above.

これらの実験および考察の結果、第1に、放射線損傷
におけるMESFET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、(10)式においてμは定数であ
りμA/μの値は近似的に推定でき、しかも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
層の初期のキャリア濃度NDの設定のみにより飽和電流変
化率α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のキャリア濃度NDを2×10
17cm-3前後としたときには、耐放射線性は第6図のよう
に不十分なものになっているが、キャリア濃度NDを1×
1018cm-3に設定したときには、第5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 and considerations, firstly, the main cause of the deterioration of MESFET characteristics due to radiation damage is a decrease in the carrier concentration in the active layer, and the relational expression (1) shows that the decrease in the carrier concentration under irradiation is very good. I understood that it was explaining. Second, the value of mu is a constant mu A / mu in (10) can be estimated approximately, yet because .DELTA.N D is the determined by depending on the radiation dose (1), the active layer only by setting the initial carrier concentration N D it was found to be set a saturation current change rate α to a predetermined value. Specifically, 2 × 10 the carrier concentration N D of the active layer 2 as conventional
17 cm -3 when the front and rear is the radiation resistance has become inadequate as FIG. 6, 1 × carrier concentration N D
When set to 10 18 cm -3 , 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のキャリ
ア濃度の点から特定することができる。すなわち、GaAs
MESFET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のソース・ドレイン間飽和電流Idss
許容変化率がα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
の初期のキャリア濃度NDは(10)式より ND>ΔND/{1−[α(μ/μ)]1/2} …(11) でなければならず、この場合の活性層2の実効的な厚さ
aは a={[(2ε/(q・ND)]・(Vbi−Vth)} …(12) となる。ここで、総線量R=1×109レントゲンについ
て、飽和電流IDSSの許容変化率α=0.9(IDSSA>0.9I
DSS)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、活性層2のキャリア濃度は(10)式より1.45×
1018cm-3以上となる。そして、このような活性層2のキ
ャリア濃度おいて閾値電圧Vthを Vth=−1.2V としたときには、活性層2の実効的な厚さは(12)式よ
り417Å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 carrier concentration of the active layer 2. That is, GaAs
MESFET is combined with the signal processing circuit said semiconductor device is formed, when the source-drain saturation current I dss acceptable rate of change of the MESFET is alpha L, circuit combination according to the semiconductor device as designed To operate, the active layer 2
Initial carrier concentration N D must be (10) from the N D> ΔN D / {1- [α L (μ / μ A)] 1/2} ... (11), in this case the active effective thickness a of the layer 2 a = a {[(2ε / (q · N D)] · (V bi -V th)} ... (12). here, the total dose R = 1 × 10 For 9 x-rays, the permissible change rate α L of the saturation current I DSS = 0.9 (I DSSA > 0.9I
More specifically calculated as DSS), the variation .DELTA.N D of the carrier concentration (1) ΔN D = 3.87 × 10 16 cm -3 next from the equation, the carrier concentration in the active layer 2 (10) 1.45 × from the equation
10 18 cm -3 or more. When the threshold voltage V th is set to V th = −1.2 V in such a carrier concentration of the active layer 2, the effective thickness of the active layer 2 is 417 ° according to the equation (12). 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7
図に示す。同図において、(ィ),(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のキャリア濃度NDを2.09×1017
cm-3とした第6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レントゲンを境界として飽和
電率変化率は急に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、閾値電圧の特性改善は見られるものの(図示せ
ず)、飽和電流の特性改善は得られない。これに対し、
活性層2のキャリア濃度NDを1×1018cm-3とした(第5
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率αは十
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 between the product of the present invention and the conventional product regarding radiation resistance
Shown in the figure. In the figure, (I), (b), (c) the curve shows the characteristics of commercially available MESFET conventional, in particular (b) of the curve of the active layer 2 carrier concentration N D of 2.09 × 10 17
corresponds to the characteristic of Figure 6 which is a cm -3. 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 saturation electric power change rate suddenly becomes a high value with the total dose R = 1 × 10 9 X-ray as a boundary. On the other hand, the characteristics of the MESFET in which the p-type layer is buried under the n-type active layer to reduce the leakage current to the substrate are as shown by the curve (e) in FIG. Although not shown, no improvement in saturation current characteristics can be obtained. In contrast,
The carrier concentration N D of the active layer 2 was set to 1 × 10 18 cm -3 (5
In the structure of the present invention (corresponding to the characteristics shown in the figure), the change rate α is suppressed to a sufficiently low value even at R = 1 × 10 9 X-ray as shown by the curve (f), and the radiation resistance is significantly improved. I understand.

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のソース・ドレイン間飽和電流I
dssは所定の許容範囲に収まり、従ってGaAsMESFETとこ
れに協働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。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, according to the present invention, the source 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.・ Drain saturation current I
The dss falls within a predetermined allowable range, so that a semiconductor device including a GaAs MESFET and a 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、本発明に係る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、従来のMESFETの閾値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、本発明に係るMESFETのソース・ドレイン間飽和電
流Idssの変化率αの放射線量Rに対する依存性を示す
図、第6図は、従来のMESFETのソース・ドレイン間飽和
電流Idssの変化の放射線量Rに対する依存性を示す図、
第7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 sectional view of a GaAs MESFET illustrating the principle of the present invention, and FIG. 2 is a threshold change amount ΔV th of the MESFET according to the present invention.
Shows the dose dependence of R, FIG. 3 is a diagram showing a dependency on dose R of carrier concentration decrease .DELTA.N D, Fig. 4, the radiation amount of change in the threshold V th of the conventional MESFET FIG. 5 shows the results of an experiment examining the dependence on R, FIG.
Figure is a diagram showing a dependency on dose R of the rate of change of the source-drain saturation current I dss of MESFET according to the present invention alpha, Figure 6 is a source-drain saturation current I dss conventional MESFET The figure which shows the dependence of the change on the radiation dose R,
FIG. 7 is a characteristic diagram comparing the radiation resistance of the product of the present invention with that of a 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】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たMESFETと、このMESFETのソース・
ドレイン間飽和電流Idssの変化後の値を IdssAとしたときの変化率α=IdssA/Idssが許容変化率
α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MESFETが有する活
性層のキャリア濃度減少量をΔND、前記活性層における
前記放射線照射前、後のキャリア移動度をそれぞれμ,
μとしたときに、 前記活性層の放射線照射前のキャリア濃度NDが、1×10
17cm-3以上1×1019cm-3以下であり、かつ ND>ΔND/{1−[α(μ/μ)]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。
An MESFET formed by doping impurities in GaAs substantially uniformly in a depth direction, and a source / source of the MESFET.
When the rate of change α = I dssA / I dss when the value after the change of the drain-to-drain saturation current I dss is I dssA is within the allowable change rate α L , the MESFET operates properly.
And a signal processing circuit configured in combination with a radiation device having a total dose R of 1 × 10 9 to 1 × 10 10 X-rays. .DELTA.N D carrier concentration decrease of the active layer in which the MESFET according to irradiation with the radiation before in the active layer, the carrier mobility after each mu,
when the mu A, the carrier concentration N D of the previous irradiation of the active layer, 1 × 10
17 cm −3 or more and 1 × 10 19 cm −3 or less, and N D > ΔN D / {1- [α L (μ / μ A )] 1/2 }, and the carrier concentration decrease ΔN D is a semiconductor device which is a ΔN D = b · R C when b, and c are constants.
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