JP2664073B2 - Semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device

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JP2664073B2
JP2664073B2 JP24514088A JP24514088A JP2664073B2 JP 2664073 B2 JP2664073 B2 JP 2664073B2 JP 24514088 A JP24514088 A JP 24514088A JP 24514088 A JP24514088 A JP 24514088A JP 2664073 B2 JP2664073 B2 JP 2664073B2
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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 to reduce 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、特に飽和領域で
の相互コンダクタンス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 which can further improve radiation resistance with a simple configuration, particularly in terms of a change in transconductance in a saturation region.

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

本発明者はGaAs MESFETに放射線を照射したときに、G
aAs MESFETの飽和領域での相互コンダクタンスgmの変化
率β=gmA/gm(gmAは変化後のgm)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 inventor has found that when irradiating GaAs MESFET with radiation,
transconductance g m change rate β = g mA / g m in the saturation region of the GaAs MESFET (g mA is g m after the change) has a constant relationship with the variation .DELTA.N D of the carrier concentration N D of the active layer in terms of focusing on the fact that, to discover that the above variation .DELTA.N D has a constant quantitative relationship between the total dose R, the present invention has been completed.

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
飽和領域での相互コンダクタンスgmの変化後の値をgmA
としたときの変化率β=gmA/gmが許容変化率β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1×10
9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ΔND
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、キャリア濃度の減少量△
NDが、b,cを定数とするときに、 △ND=b・Rc であり、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以下であって、かつ、 ND>△ND/{1−β(μ/μ)} 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・ND)]・(Vbi−Vth)}1/2 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 a substantially uniform impurity in the depth direction while GaAs, the value after the change in the transconductance g m in the saturation region of the MESFET g mA
And a signal processing circuit configured in combination with the MESFET to operate correctly when a change rate β = g mA / g m when the is within the allowable rate of change beta L, total dose R 1 × 10
9 A semiconductor device which may be used at 1 × 10 under 10 roentgens following radiation environment or Roentgen, .DELTA.N carrier concentration decrease of the active layer by irradiation of total dose R D,
Before irradiation in the active layer, the carrier mobility after each mu, when the mu A, decrease in the carrier concentration △
N D is, b, when a and c constants, a △ N D = b · R c, the carrier concentration N D of the previous irradiation of the active layer is 1 ×
10 17 cm -3 or more 1 × 10 19 A at cm -3 or less, and characterized in that it is a N D> △ N D / { 1-β L (μ / μ A)}. In this case, the effective thickness a of the active layer is approximately a = {[2ε / (q · N D)] · (V bi -V th)} becomes 1/2. 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、総線量Rが1×1
09レントゲン以上1×1010レントゲン以下の範囲内にお
いてあらかじめ設定された放射線量の下では、GaAs MES
FETの飽和領域での相互コンダクタンスgm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GaAs MESFET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 ×
10 9 X-ray or less, of course, total dose R is 1 × 1
0 Under the preset radiation dose within the range of 9 X-rays or more and 1 × 10 10 X-rays or less, GaAs MES
The transconductance g m in the saturation region of the FET falls within a predetermined range (an allowable range determined by the signal processing circuit). Therefore, the semiconductor device including the GaAs MESFET and the signal processing circuit cooperating therewith was initially manufactured. It will operate normally as 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は飽和領域での所定の相互コ
ンダクタンスgmを有するが、この相互コンダクタンスgm
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、変化した後の相互コンダクタンスgmA
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相互コンダク
タンスgmの変化率β=gmA/gmの許容値を、許容変化率β
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 transconductance g m in the saturation region, and this transconductance g m
Has been known to change under radiation irradiation environments. When the transconductance g mA after the change becomes a value outside the range required in advance by the signal processing circuit, the combination circuit does not operate normally.
Hereinafter, in this specification, the tolerance of the mutual conductance g m of the change rate β = g mA / g m in the allowable range, the allowable rate of change beta
It is defined and described as L.

上記のように、MESFETの飽和領域での相互コンダクタ
ンスgm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。これら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 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、この関係が相互コンダクタンスgm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1×1017〜1×10
19cm-3であり、かつ照射される放射線の総線量Rが1×
108〜1×1010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 と表すことができる。
As described above, the transconductance g m of the MESFET in the saturation region is known to change by irradiation, but the threshold voltage V th is also known to change in the irradiation environment. Regarding the causes of these changes, firstly, the carrier concentration of the active layer is reduced by radiation,
Second, it has been reported that the electron mobility is reduced by radiation. The present inventors have conducted detailed studies for the first of the above, reduction .DELTA.N D of the carrier concentration N D of the active layer
It is found from the experimental value of the change in the threshold voltage V th that the relationship ΔN D = b · R c is established between the total dose R and the total dose R of the irradiation radiation, and this relationship shows the experimental value of the change in the transconductance g m It was confirmed that the explanation was extremely appropriate. Here, b, c is a both constant, (1) a carrier concentration N D is 1 × 10 17 ~1 × 10 initial active layer (before irradiation with a radiation)
19 cm -3 and the total dose R of the irradiated radiation is 1 ×
It is established in the range of 10 8 to 1 × 10 10 radiographs. In this case, the constants b and c are determined by variations in the initial carrier concentration of the active layer, the energy of radiation, or the quality of the substrate.
Has a certain width. According to our experiments,
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 the figure, semi-insulating GaAs
An n-type active layer 2 and an n + -type contact layer 3 are formed on a substrate 1 by an epitaxial growth method, and a part of the n-type active layer 2 and the n + -type contact layer 3 in a gate region is removed by etching to form a recess structure. I do. 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 a conventional product.
Specifically the effective thickness a is about 500Å is (conventional products 1000Å so) and, the carrier concentration N D of the n-type active layer 2 is in a high concentration as compared with the conventional products, in particular 1 × 10 18 cm - Assume 3 .

このようなGaAs MESFET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}・ΔND …(5) となる。
Theoretical value of the threshold voltage V th of this GaAs MESFET, according to Baifukan "Ultrafast compound semiconductor device" P.63, V th = V bi - (q · N D · a 2) / 2ε ... (2 ). 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 = become {(q · a 2) / 2ε} · ΔN 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=1×108、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 × 10 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GaAs MESFET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GaAs MESFETと同一のMESFETを用いて、放
射線照射による飽和領域での相互コンダクタンスgm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
図のような相互コンダクタンスgmの変化率βの特性が得
られ、第4図の特性に対応して第6図のような相互コン
ダクタンスgm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.
Using the same MESFET as the GaAs MESFET having the characteristics described above , the change of the transconductance gm in the saturation region due to irradiation was measured. As a result, as shown in FIG.
Characteristics of the transconductance g the rate of change of m beta as figure obtained, the characteristics of the change in mutual conductance g m, such as FIG. 6 corresponding to the characteristic of FIG. 4 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、次に相互コンダクタンスgmの変化率β=gmA/
gmの理論式を求める。まず、MESFETの飽和領域での相互
コンダクタンスgmは、ソース抵抗Rsを無視した真性FET
について gm={(Wg・μ・q・ND・a)/Lg ×{1−[(Vbi−VG)/Vp1/2 …(6) となる。ここで、Wgはゲート幅、μは活性層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
時の相互コンダクタンスgmをgmmaxとすると、(6)式
は gmmax=(Wg・μ・q・ND・a)/Lg …(7) となる。従って、放射線照射による変化率βは、(7)
式より β=gmmaxA/gmmax =(μ・NDA)/(μ・ND) …(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 β={μ(ND−ΔND)}/(μ・ND) …(10) となる。
Accordingly, then the rate of change in the mutual conductance g m β = g mA /
Calculate the theoretical formula of g m . First, the transconductance g m in the saturation region of the MESFET is the intrinsic FET neglecting the source resistance R s
For g m = {(W g · μ · q · N D · a) / L g × {1 - a [(V bi -V G) / V p] 1/2 ... (6). Here, W g is the gate width, mu is the electron mobility in the active layer 2, the L g gate length, V G is the gate voltage, the V p is the pinch-off voltage. The transconductance g m in the case of V G = V bi When g mmax for simplicity of calculation, (6) is g mmax = (W g · μ · q · N D · a) / L g ... (7) Therefore, the rate of change β due to irradiation is (7)
= Expression than β = g mmaxA / g mmax ( μ A · N DA) / (μ · N D) ... is (8). Here, N DA is the carrier density after irradiation, since it is N DA = N D -ΔN D ... (9), (8) equation β = {μ A (N D -ΔN D)} / to become (μ · N D) ... ( 10).

ここで、(10)式を検討すると、変化率β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 Equation (10) is examined, it can be seen that the rate of change β 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案の結果、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)式から定まるものであるから、活性
層の初期のキャリア濃度NDの設定のみにより相互コンダ
クタンスの変化率β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2×1017cm-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 ideas, firstly, the main cause of the MESFET characteristic deterioration due to radiation damage is the 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 are those determined from depending on the radiation dose (1), the active layer the setting of the initial carrier concentration N D only was able to be set a change rate of the transconductance β to a predetermined value. More specifically, when the carrier concentration N D of the active layer 2 as in the conventional of 2 × 10 17 cm -3 before and after, but the radiation resistance has become inadequate as FIG. 6 , when setting the carrier concentration N D in 1 × 10 18 cm -3, radiation resistance as in the fifth view is significantly improved.

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、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の飽和領域での相互コン
ダクタンスgmの許容変化率がβ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−βL(μ/μ)} …(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={[ε/(q・ND)]・(Vbi−Vth)}1/2 …(12) となる。ここで、総線量R=1×109レントゲンについ
て、相互コンダクタンスgmmaxの許容変化率β=0.9
(gmmaxA>0.9gmmax)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7.35×
1017cm-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585Å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 Roentgen course, total dose R to operate normally even under the following radiation environment 1 × 10 10 Roentgen 1 × 10 9 roentgen or The structure of the semiconductor device can be specified particularly from the viewpoint of the carrier concentration of the active layer 2. That, in combination GaAs MESFET is a signal processing circuit said semiconductor device is formed, when the allowable rate of change of the transconductance g m in the saturation region of the MESFET is beta L, the combination circuit is designed according to the semiconductor device to the operating value as the carrier concentration of the active layer 2 initial N D is (10) from the N D> ΔN D / {1 -βL (μ / μ a)} ... (11) unless Narazu, the effective thickness a of the active layer 2 in this case is a = {[ε / (q · N D)] · (V bi -V th)} 1/2 ... (12). Here, for the total dose R = 1 × 10 9 X-ray, the allowable change rate β L = 0.9 of the transconductance g mmax is obtained.
If (g mmaxA> 0.9g mmax) specifically calculated as, 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) 7.35 ×
10 17 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 585 ° according to the equation (12). Here, the permittivity 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、(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)、相互
コンダクタンス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β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, (a), (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 change rate suddenly becomes high with the total dose R = 1 × 10 9 X-ray as a boundary. On the other hand, a p-type layer was buried under the n-type active layer to reduce leakage current to the substrate.
The characteristics of the MESFET are as shown by the curve (e) in the figure, and although the characteristics of the threshold voltage are improved (not shown), the characteristics of the transconductance are not improved. 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 characteristic shown in the figure), the rate of change β 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、活性層の形成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 formation 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、総線量Rが1×109レントゲン以上1×1010レン
トゲン以下であってもGaAs MESFETの飽和領域での相互
コンダクタンスgmは所定の許容範囲に収まり、従ってGa
As MESFET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。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, when the total dose R of the irradiated radiation is 1 × 10 9 X-rays or less, the total dose R is 1 × 10 9 X-rays or more and 1 × 10 10 X-rays or less. Also, the transconductance g m in the saturation region of the GaAs MESFET is within a predetermined allowable range, and
A semiconductor device including As MESFET and a signal processing circuit cooperating therewith will operate 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GaAs MESFET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の飽和領域での相互コンダク
タンスgmの変化率β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の飽和領域での相互コンダク
タンスgm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 for explaining the principle of the present invention, and FIG. 2 is a threshold variation 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 transconductance g the rate of change of m beta in the saturation region of the MESFET according to the present invention, Figure 6 is the change in mutual conductance g m in the saturation region of a conventional MESFET FIG. 4 shows the dependence of the radiation dose 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の飽和領域
での相互コンダクタンスgmの変化後の値をgmAとしたと
きの変化率β=gmA/gmが許容変化率β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活性層のキャリア
濃度NDの減少量を△ND、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、 前記キャリア濃度の減少量△NDが、b,cを定数とすると
きに、 △ND b・Rc であり、 前記活性層の放射線照射前のキャリア濃度NDが1×1017
cm-3以上1×1019cm-3以下であって、かつ、 ND>△ND/{1−β(μ/μ)} であることを特徴とする半導体装置。
A MESFET which is formed by doping impurities substantially uniform in claim 1] depth direction during GaAs, when the value after the change in the transconductance g m in the saturation region of the MESFET was g mA and a signal processing circuit configured in combination with the MESFET to operate correctly when the change rate β = g mA / g m is within the allowable rate of change beta L, total dose R is 1 × 10 9 Roentgen a semiconductor device which can be used under 1 × 10 10 Roentgen following radiation environment more, the decrease in the carrier concentration N D of the active layer by irradiation of the total dose R △ N D, in the active layer the radiation before, the carrier mobility after each mu, when the mu a, decrease amount △ N D of the carrier concentration, b, when a and c constants, △ N D = b · R c , and the carrier concentration N D of the previous irradiation of the active layer is 1 × 10 17
A is cm -3 to 1 × 10 19 cm -3 or less, and a semiconductor device which is a N D> △ N D / { 1-β L (μ / μ A)}.
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