JP2652974B2 - Field effect transistor - Google Patents

Field effect transistor

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はショットキー接合電界効果トランジスタ(ME
SFET)に関する。
The present invention relates to a Schottky junction field effect transistor (ME).
SFET).

〔従来の技術〕[Conventional technology]

砒化ガリウム(GaAs)をはじめとするIII−V属化合
物半導体を用いた高速集積回路においては、半絶縁性の
基板上にトランジスタを直接作製している。
In a high-speed integrated circuit using a III-V compound semiconductor such as gallium arsenide (GaAs), a transistor is directly formed on a semi-insulating substrate.

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

しかし、これらの化合物半導体の半絶縁性基板の絶縁
性は禁制帯の中央付近の深い準位にフェルミレベルを固
定することに依存しており、その意味で完全な絶縁体と
区分されて半絶縁性基板と呼ばれている。これら半絶縁
性基板では、外部電界が印加された場合等に、半絶縁性
基板中の深い準位に電荷が出入りして空間電荷が発生す
る。この空間電荷は、その基板上に作製された素子の特
性に大きな影響を及ぼす。
However, the insulating properties of these compound semiconductor semi-insulating substrates depend on fixing the Fermi level to a deep level near the center of the forbidden band. It is called a flexible substrate. In these semi-insulating substrates, when an external electric field is applied, for example, electric charges enter and exit deep levels in the semi-insulating substrate to generate space charges. This space charge has a significant effect on the characteristics of the device fabricated on the substrate.

GaAs−MESFETをはじめとするFET系デバイスを用いた
集積回路においては、サイドゲート効果とよばれる素子
間の特性干渉効果が有することが以前から知られてい
る。第4図に示すように、半絶縁性基板1上にあるnチ
ャネルFET2に注目した場合、隣接する素子3(隣接のFE
Tのn層などに相当し、これをサイドゲートと呼ぶ)に
負の電位を印加していくと、FET2のドレイン電流が減少
していくという現象がある。この現象が、サイドゲート
効果の典型的なものである。このサイドゲート効果の源
は、基板1との界面の空間電荷によるものである。
It has long been known that integrated circuits using FET devices such as GaAs-MESFETs have a characteristic interference effect between elements called a side gate effect. As shown in FIG. 4, when attention is paid to the n-channel FET 2 on the semi-insulating substrate 1, the adjacent element 3 (adjacent FE)
When a negative potential is applied to the n-layer of T or the like, which is called a side gate), there is a phenomenon that the drain current of the FET2 decreases. This phenomenon is typical of the side gate effect. The source of the side gate effect is due to the space charge at the interface with the substrate 1.

ここで少し具体的に、nチャネルのFETが半絶縁性基
板の上に直接作製されたときの状況を考えてみる。通
常、n型のチャネルと半絶縁性基板とが接合すれば(n
−i接合)、n−p接合と類似して第5図に示すような
エネルギーバンド構造になる。nチャネルのフェルミレ
ベルは伝導帯の底のすぐ下にあり、半絶縁性基板のフェ
ルミレベルは禁制帯の中央付近にある。半絶縁性基板側
は負の空間電荷がWの幅で蓄積され、nチャネル側はそ
れを打ち消すべく電子がdの幅で空乏化することにより
正の空間電荷として蓄積される。
Here, let us consider a little more specific situation when an n-channel FET is directly formed on a semi-insulating substrate. Normally, if an n-type channel and a semi-insulating substrate are joined (n
-I junction) and an energy band structure as shown in FIG. 5 similar to the np junction. The n-channel Fermi level is just below the bottom of the conduction band, and the Fermi level of the semi-insulating substrate is near the center of the forbidden band. On the semi-insulating substrate side, negative space charges are accumulated with a width of W, and on the n-channel side, electrons are depleted with a width of d in order to cancel them, and are accumulated as positive space charges.

このような状態で半絶縁性基側に負の電位を印加する
と、このn−i接合部はちょうどp−n接合の逆バイア
スのように、空間電荷を有する部分が接合の両側でさら
に広がるとになる。nチャネル側からみれば、チャネル
はn−i界面によりn層が余計に空乏化され、狭まった
ことになる。このnチャネルをFETの動作チャネルとす
れば、チャネルの狭まりはそのFETのドレイン電流の減
少を意味し、このことからサイドゲート効果が起きてい
る状況が説明される。
When a negative potential is applied to the semi-insulating base side in such a state, the ni-junction becomes more like a reverse bias of the pn junction when the portion having space charge spreads further on both sides of the junction. become. When viewed from the n-channel side, the channel is depleted and narrowed by the n-layer due to the ni interface. Assuming that the n-channel is the operation channel of the FET, the narrowing of the channel means a decrease in the drain current of the FET, which explains the situation where the side gate effect occurs.

しかし、MESFET集積回路においては、実際には隣接の
素子(サイドゲート)は数μm以上離れて存在する。従
って、このサイドゲートに印加された電圧が、注目して
いるFETのn−i接合に影響を及ぼし、サイドゲート効
果をひき起こすには、特別な機構が必要である。nチャ
ネルFETの場合、この機能の一つとしつて、半絶縁性基
板中に存在する正孔トラップとして働く深い準位があ
る。サイドゲートに負電圧を印加した場合、FETのチャ
ネル領域でのn−i接合界面は逆バイアスとなり、正孔
は空乏化する。もし、半絶縁性基板中の深い準位が正孔
トラップとして働くものであればよい。深い準位は正孔
を放出して負に帯電し、その結果、n−i界面近傍での
余分が負電荷の蓄積が起る。その帯電は、このn−i接
合の逆バイアス電位がサイドゲート電圧に等しくなるま
で続き、結果としてn−i接合に直接サイドゲート電圧
が到達することになる〔第6図〕。従来、半絶縁性基板
上に作られてきたFETでは、この正孔トラップとして働
く深い準位により、サイドゲート効果が引き起こされて
きた。
However, in an MESFET integrated circuit, adjacent elements (side gates) actually exist at a distance of several μm or more. Therefore, a special mechanism is required for the voltage applied to the side gate to affect the ni junction of the FET of interest and cause the side gate effect. In the case of an n-channel FET, one of the functions is a deep level acting as a hole trap existing in a semi-insulating substrate. When a negative voltage is applied to the side gate, the ni junction interface in the channel region of the FET becomes reverse-biased, and the holes are depleted. If the deep level in the semi-insulating substrate works as a hole trap, it is sufficient. Deep levels emit holes and become negatively charged, resulting in extra negative charge accumulation near the ni interface. The charging continues until the reverse bias potential of the ni junction becomes equal to the side gate voltage, and as a result, the side gate voltage directly reaches the ni junction (FIG. 6). Conventionally, in a FET formed on a semi-insulating substrate, the deep level acting as a hole trap has caused a side gate effect.

本発明の目的は、半絶縁性基板上にMESFETを作製した
場合に生じるサイドゲート効果に対し、それを抑制し得
る構造のMESFETを提供することにある。
An object of the present invention is to provide a MESFET having a structure capable of suppressing a side gate effect generated when a MESFET is manufactured on a semi-insulating substrate.

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

本発明の電界効果トランジスタは、半絶縁性基板上に
形成されたn型電界効果トランジスタにおいて、導電型
不純物添加領域の近傍の前記半絶縁性基板領域に、前記
半絶縁性基板固有の深い準位よりも多量に、かつ、伝導
帯寄りのエネルギー準位をもつドナー型の深い準位を有
している。
The field-effect transistor according to the present invention is an n-type field-effect transistor formed on a semi-insulating substrate, wherein a deep level inherent in the semi-insulating substrate is provided in the semi-insulating substrate region near a conductive type impurity doped region. It has a donor-type deep level with a larger amount and an energy level closer to the conduction band.

〔作用〕[Action]

nチャネルFETの場合、先に述べたようなサイドゲー
トの電圧を注目しているFETチャネルのn−i接合に到
達させるための機構として、半絶縁性基板中の正孔トラ
ップとして働く深い準位がある。第1図(a)に示すよ
うに、正孔トラップとして働く深い準位は、FETチャネ
ルのn−i接合の半絶縁性基板側(i側)において正孔
を価電子帯に放出し(電子を価電子帯から捕獲し)て負
に帯電することにより、サイドゲート効果を引き起す。
In the case of an n-channel FET, a deep level acting as a hole trap in a semi-insulating substrate is used as a mechanism for causing the voltage of the side gate to reach the ni junction of the FET channel of interest as described above. There is. As shown in FIG. 1 (a), the deep level acting as a hole trap releases holes to the valence band on the semi-insulating substrate side (i side) of the n-i junction of the FET channel (electrons). Is captured from the valence band) and negatively charged, thereby causing a side gate effect.

ところが、この正孔トラップよりも多量に、かつ、伝
導帯寄りのエネルギーをもつドナー型の準位が存在すれ
ば、基板中のフェルミレベルはドナーのエネルギー位置
へと上昇し、第1図(b)に示すように、前述の正孔ト
ラップとして働く準位は電子で埋め尽くされるはずであ
るので(正孔が空乏しきっているので)、これはもはや
正孔を放出することができなくなる。従って、このよう
な伝導帯寄りのドナー型の準位が存在すればサイドゲー
ト効果の発生は抑制される。
However, if there is a donor-type level having a larger amount than the hole trap and having an energy near the conduction band, the Fermi level in the substrate rises to the energy position of the donor, and FIG. ), The level that acts as a hole trap, as described above, should be filled with electrons (since the holes are fully depleted), so that they can no longer emit holes. Therefore, if such a donor type level near the conduction band exists, the occurrence of the side gate effect is suppressed.

〔実施例〕〔Example〕

次に本発明について図面を参照して説明する。 Next, the present invention will be described with reference to the drawings.

第2図は本発明の一実施例を説明するための断面図で
ある。GaAsからなる半絶縁性基板1に、酸素のイオン注
入により伝導帯寄りのドナー準位を形成した領域6,7を
形成し、珪素のイオン注入によりn型導電層を形成し、
タングステンによりゲート電極を形成することにより、
隣接するnチャネルFET4,5を形成する。
FIG. 2 is a sectional view for explaining an embodiment of the present invention. Regions 6 and 7 in which donor levels near the conduction band are formed by ion implantation of oxygen are formed on a semi-insulating substrate 1 made of GaAs, and an n-type conductive layer is formed by ion implantation of silicon.
By forming the gate electrode with tungsten,
Adjacent n-channel FETs 4 and 5 are formed.

第2図に示した構成にすることにより、FET4に注目し
て隣接のFET5をFET4に対して負電位にしたとき、FET4の
n型導電層の近傍の半絶縁性領域に伝導帯寄りのドナー
準位を形成した領域6が配置されることにより、FET4側
のn−i界面での負電荷の発生が抑えられるため、サイ
ドゲート効果の発生が抑制される。
With the configuration shown in FIG. 2, when the adjacent FET 5 is set to a negative potential with respect to the FET 4 by paying attention to the FET 4, the donor near the conduction band is placed in the semi-insulating region near the n-type conductive layer of the FET 4. By disposing the region 6 in which the level is formed, the generation of negative charges at the ni interface on the side of the FET 4 is suppressed, so that the generation of the side gate effect is suppressed.

一応、FET5の対しFET4を負電位にしてサイドゲートと
した場合、FET5の周辺の半絶縁性領域に伝導帯寄りのド
ナー準位を形成した領域7が配置されることにより、FE
T4の存在によるサイドゲート効果の発生が抑えられる。
For the time being, when FET4 is set to a negative potential with respect to FET5 to form a side gate, a region 7 in which a donor level near the conduction band is formed in a semi-insulating region around FET5 is provided.
The occurrence of the side gate effect due to the presence of T4 is suppressed.

以上述べたように、伝導帯寄りのドナー準位を形成し
た領域は、すべてのFETの周辺に配置することが効果的
である。
As described above, it is effective to arrange the region where the donor level near the conduction band is formed around all the FETs.

次に、本実施例のMESFETおよび従来構造のMESFETのド
レイン電流(Idss)を、第3図(a),(b)に示す。
伝導帯寄りのドナー準位を形成した領域を配置していな
い従来構造の場合、第3図(b)に示すように、サイド
ゲート電圧がある電圧(この場合は−3V)以下になる
と、ドレイン電流(Idss)の減少が始まる。一方、本実
施例の構造では、第3図(a)に示すように、サイドゲ
ート電圧をそれ以下に下げても、ドレイン電流(Idss
の減少は見られない。
Next, the drain currents (I dss ) of the MESFET of this embodiment and the MESFET of the conventional structure are shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b).
In the case of the conventional structure in which the region having the donor level near the conduction band is not arranged, as shown in FIG. 3 (b), when the side gate voltage becomes lower than a certain voltage (-3V in this case), the drain voltage becomes lower. The current (I dss ) begins to decrease. On the other hand, in the structure of the present embodiment, as shown in FIG. 3 (a), even if the side gate voltage is lowered, the drain current (I dss )
No decrease is seen.

本実施例では酸素のイオン注入により伝導帯寄りのド
ナー準位を形成した領域を形成したが、硼素のイオン注
入により伝導帯寄りのドナー準位を形成した領域を形成
しても、第3図(a)に示したと同様に、ドレイン電流
(Idss)の減少は見られない。
In this embodiment, the region where the donor level closer to the conduction band is formed by ion implantation of oxygen is formed. However, even if the region where the donor level closer to the conduction band is formed by ion implantation of boron is formed, FIG. As shown in (a), no decrease in drain current ( Idss ) is observed.

また、本実施例ではGaAs−MESFETを用いたが、電界効
果トランジスタとしては半絶縁性基板を用いる電界効果
トランジスタであるならば本発明を適用することが可能
であり、基板の材料もGaAs以外のIII−V属化合物半導
体,例えばInP等でもよい。
In this embodiment, the GaAs-MESFET is used. However, if the field effect transistor is a field effect transistor using a semi-insulating substrate, the present invention can be applied. A III-V compound semiconductor, for example, InP or the like may be used.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上説明したように本発明は、FETの不純物導電層の
近傍の半絶縁性領域に伝導帯寄りのドナー準位を形成し
た領域を配置することにより、隣接するFETが他方の一
方に対して負電位に印加された場合、第1図(b)に示
したように、フェルミレベルにおけるドナー準位の存在
により正孔トラップからの正孔の放出は抑制されること
になり、その結果、サイドゲート効果の抑制が実現可能
となる。
As described above, according to the present invention, by arranging a region in which a donor level near a conduction band is formed in a semi-insulating region near an impurity conductive layer of an FET, an adjacent FET is negative with respect to one of the other. When applied to the potential, as shown in FIG. 1 (b), the emission of holes from the hole trap is suppressed by the presence of the donor level at the Fermi level, and as a result, the side gate The effect can be suppressed.

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

第1図(a),(b)は従来構造,本発明の一実施例に
おける半絶縁性基板中の深い準位のエネルギーを示すエ
ネルギーバンド図、第2図は本発明の一実施例を説明す
るための断面図、第3図(a),(b)は本発明の一実
施例のFET,従来構造のFETにおけるサイドゲート電圧に
対するドレイン電流の特性図、第4図は従来のFETのサ
イドゲート効果を説明するための模式図、第5図は従来
のFETのn−i接合部のエネルギーバンド図、第6図は
従来構造でのFETとサイドゲートとの間のポテンシャル
エネルギーを示すエネルギーバンド図である。 1……半絶縁性基板、2,4,5……nチャネルFET、3……
サイドゲート、6,7……ドナー型の準位を形成した領
域。
FIGS. 1 (a) and 1 (b) are energy band diagrams showing the energy of a deep level in a semi-insulating substrate according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an illustration of an embodiment of the present invention. 3 (a) and 3 (b) are characteristic diagrams of drain current with respect to side gate voltage in the FET of one embodiment of the present invention and the FET of the conventional structure, and FIG. 4 is a side view of the conventional FET. FIG. 5 is a schematic view for explaining the gate effect, FIG. 5 is an energy band diagram of the ni junction of the conventional FET, and FIG. 6 is an energy band showing the potential energy between the FET and the side gate in the conventional structure FIG. 1 ... semi-insulating substrate, 2,4,5 ... n-channel FET, 3 ...
Side gates, 6, 7: regions where donor-type levels are formed.

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】半絶縁性基板上に形成されたn型電界効果
トランジスタにおいて、導電型不純物添加領域の近傍の
前記半絶縁性基板領域に、前記半絶縁性基板固有の深い
準位よりも多量に、かつ、伝導帯寄りのエネルギー準位
をもつドナー型の深い準位を有することを特徴とする電
界効果トランジスタ。
1. An n-type field effect transistor formed on a semi-insulating substrate, wherein the semi-insulating substrate region near a conductive type impurity doped region has a larger amount than a deep level inherent in the semi-insulating substrate. And a donor-type deep level having an energy level close to the conduction band.
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