JP2664078B2 - Semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device

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JP2664078B2
JP2664078B2 JP24663588A JP24663588A JP2664078B2 JP 2664078 B2 JP2664078 B2 JP 2664078B2 JP 24663588 A JP24663588 A JP 24663588A JP 24663588 A JP24663588 A JP 24663588A JP 2664078 B2 JP2664078 B2 JP 2664078B2
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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]

宇宙空間や電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 outer space, near electronic furnaces, etc.
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
× is 10 8 X-ray about ( "space development-related Symposium] 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 level (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.

一方、「半導体装置の物理第2版」(Physics of Sem
iconductor Device SECOND EDITION)S.M.Sze,P.334に
は、活性層を2層にしたMESFETが開示されている。これ
によれば、活性層表面のキャリア濃度は低くなるので、
表面空乏層の悪影響がなくなり、優れた特性のMESFETが
実現できる。
On the other hand, "Physics of Sem
MESFET having two active layers is disclosed in "Iconductor Device SECOND EDITION" SMSze, p.334. According to this, the carrier concentration on the active layer surface becomes low,
The adverse effect of the surface depletion layer is eliminated, and a MESFET with excellent characteristics can be realized.

そこで本発明は、簡単な構成により、特に閾値電圧、
ソース・ドレイン間飽和電流もしくは飽和領域での相互
インダクタンスのうちの、少なくとも2つの変化の点か
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, the present invention has a simple configuration, in particular, a threshold voltage,
It is an object of the present invention to provide a semiconductor device capable of further improving radiation resistance in terms of at least two changes of a source-drain saturation current or a mutual inductance 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、ソース・ドレイ
ン間飽和電流Idssの変化率α=IdssA/Idssおよび飽和領
域での相互コンダクタンスgmの変化率β=gmA/gmが、活
性層の実効的な厚さa=a1+a2およびキャリア濃度N1D,
N2D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,
The change amount ΔV th of the threshold voltage V th of AsMESFET, the change rate α = I dssA / I dss of the source-drain saturation current I dss , and the change rate β = g mA / g m of the transconductance g m in the saturation region , The effective thickness of the active layer a = a 1 + a 2 and the carrier concentration N 1D ,
In terms of focusing on the fact that the N 2D of variation .DELTA.N D has a constant relationship, discovered 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、キャリア濃度がN1Dで実効的な厚
さがa1の上側層とキャリア濃度がN2Dで実効的な厚さがa
2の下側層からなる活性層(但し、N1D<N2Dとする)がG
aAs中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、あるいは飽
和電流Idssの変化率が許容変化率α以内であるとき、
あるいは相互コンダクタンスgmの変化率βが許容変化
率」β以内であるときの3つの条件のうち、少なくと
も2つの条件が満たされた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、総線量Rの放射線照射によるキャリア濃度
N1D,N2Dの減少量を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、活性層の
誘導率をε、電子の電荷をq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N1D,N2Dが1×1017cm-3
以上1×1019cm-3以下であり、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、さらに、前記活性層の実効的な厚さa=a1+a2
が (1) a<{(2ε・△VthL)/(q・△ND)}1/2
であること。
That is, the present invention includes an upper layer and the carrier concentration of the effective thickness of the carrier concentration in the N 1D is a 1 is the effective thickness in N 2D is a
2 The active layer consisting of the lower layer (where N 1D <N 2D ) is G
It is formed by doping impurity and threshold voltage and the MESFET of V th in GaAs, 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, or the saturation current I dss When the change rate is within the allowable change rate α L ,
Or one of the three conditions when the rate of change of mutual conductance g m beta is within the allowable change rate "beta L, is constructed in combination with the MESFET to operate correctly when at least two conditions are met And a signal processing circuit having a total dose R of 1 × 10 9 to 1 × 10 10 X-rays.
Assuming that the decrease amount of N 1D and N 2D is ΔN D , the carrier mobilities before and after irradiation in the active layer are μ and μ A respectively, the induction rate of the active layer is ε, and the electron charge is q, The carrier concentration N 1D and N2 D of the active layer before irradiation is 1 × 10 17 cm −3
To 1 × is at 10 19 cm -3 or less, decrease amount △ N D of the carrier concentration, b, when a and c constants, a △ N D = b · R c , further of the active layer Effective thickness a = a1 + a2
Is (1) a <{(2ε △ V thL ) / (q △△ N D )} 1/2
That.

前記活性層の放射線照射前のキャリア濃度N2Dが、 (2) ND>△ND/{1−[α(μ/μ)]1/2}で
あること。
The carrier concentration N 2D of the previous irradiation of the active layer, (2) N D> △ N D / {1- [α L (μ / μ A)] 1/2} and that.

(3) ND>△ND/{1−β(μ/μ)}であるこ
と。
(3) N D> △ N D / {1-β L (μ / μ A)} is to be.

という上記(1)乃至(3)の3条件のうち、少なくと
も2つの関係を満足するものであることを特徴とする。
It satisfies at least two of the three conditions (1) to (3).

〔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、GaAsMESF
ETの閾値電圧Vth、飽和電流Idss、相互コンダクタンスg
mのうちの少なくとも2つは所定範囲(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 ×
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, GaAsMESF
ET threshold voltage V th , saturation current I dss , transconductance g
At least two of m are within a predetermined range (permissible range determined by the signal processing circuit). Therefore, the semiconductor device including the GaAs MESFET and the signal processing circuit cooperating with the GaAs MESFET has the original design value. It will work normally.

〔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、ソー
ス・ドレイン間飽和電流Idssおよび飽和領域での相互コ
ンダクタンスgmを有するが、これらの値は放射線照射環
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、飽和電流IdssAおよび相互
コンダクタンスgmA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の許容量を許容変化
量ΔVthL、飽和電流Idssの変化率α=IdssA/Idssの許容
値を許容変化率α、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 threshold voltage V th , a source-drain saturation current I dss, and a transconductance g m in a saturation region. However, it is conventionally known that these values change under a radiation irradiation environment. Have been. And
If the changed threshold voltage V thA , saturation current I dssA and transconductance g mA fall outside the ranges required in advance by the signal processing circuit, the combination circuit does not operate normally. Hereinafter, in this specification, the allowable amount of the change amount ΔV th of the threshold voltage V th in the allowable range is the allowable change amount ΔV thL , the change rate of the saturation current I dss α = I dssA / I dss is the allowable change rate. α L , the rate of change β of the transconductance g m
= G mA / g m is defined as an allowable change rate β L for explanation.

上記のように、MESFETの閾値電圧Vthなどは放射線照
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N
1D,ND2の減少量△NDと照射放射線の総線量Rの間には、 △ND=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1×1017cm〜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△N
Dの代表値は △ND=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 and the like of the MESFET change under the radiation irradiation environment. The causes of the change are firstly the decrease in the carrier concentration of the active layer due to the radiation, and the second Reports that the electron mobility is reduced by radiation. The present inventor has conducted a detailed study on the above first point, and has found that the carrier concentration N
1D, between the decrease amount △ N D and total dose R of irradiation radiation of N D2, found that the relationship of △ N D = b · R c ··· (1) is satisfied. Here, b, c is a both constant, (1) a carrier concentration N D of the initial active layer (before irradiation with a radiation) is 1 × 10 17 cm~1 × 10 19 cm -3, and The total dose R of the irradiated radiation 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 , c = 0.678, and therefore the carrier concentration reduction amount △ N
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をなす厚さa2の下側層2および厚
さa1の上側層21を形成し、さらにその上に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450Å程度(従来品
は1000Å前後)とし、その内訳は下側層22をa2=150
Å、上側層21をa1=300Åとする。また、n型活性層2
の下側のキャリア濃度は従来品に比べて高濃度に、具体
的には下側層22をN2D=3×1018cm-3、上側層21をN1D
2×1017cm-3とする。
First, GaAs having a recess gate structure shown in a sectional view in FIG.
Prepare MESFET. As shown in the drawing, the upper layer 21 of the lower layer 2 and the thickness of a 1 thick a 2 forming the n-type active layer 2 on the GaAs substrate 1 of semi-insulating is formed, further thereon n + The contact layer 3 is formed by an epitaxial growth method, and a part of the n-type active layer 2 and the n + -type contact layer 3 in the gate region is removed by etching to form a recess structure. Next, by vacuum evaporation method
A source electrode 4 and a drain electrode 5 are formed on the n + -type contact layer 3 with an ohmic metal, and a gate electrode 6 is formed on the n-type active layer 2 with a Schottky metal. Here, the n-type active layer 2 immediately below the gate electrode 6 is sufficiently thinner than the conventional product, and specifically, the effective thickness a is about 450 ° (about 1000 ° in the conventional product). 22 to a 2 = 150
Å, the upper layer 21 is set to a 1 = 300 °. Further, the n-type active layer 2
The carrier concentration on the lower side is higher than that of the conventional product. Specifically, the lower layer 22 is N 2D = 3 × 10 18 cm −3 , and the upper layer 21 is N 1D =
It is 2 × 10 17 cm −3 .

このようなGaAsMESFETの閾値電圧Vthの理論値は、完
全空乏近似のもとでの一次元のポアソン方程式 d2φ1/dχ=−qN1D/ε (0≦χ≦a1) d2φ2/dχ=−qN2D/ε (a1≦χ≦a1+a2) を境界条件 χ=a1+d(但し、d>a2)で dφ/dχ=0 χ=0でφ=−(Vbi−VG) の下で解くことにより、 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、放射線の放射によりn型活性層2
のキャリア濃度N1D,N2DがN1DA,N2DAになったとすると、
放射線照射後の閾値電圧VthAとなる。このため、放射線照射により閾値電圧Vthのず
れ量ΔVthとなる。但し、 ND−NDA=N1D−N1DA =N2D−N2DA としてある。従って、照射線照射によるキャリア濃度の
減少量をΔND=ND−NDAとすると、 a=a1+a2であるから、 ΔVth={(q・a2)/2ε}・ΔND …(5) となる。
The theoretical value of the threshold voltage V th of such a GaAs MESFET is the one-dimensional Poisson equation d 2 φ 1 / dχ 2 = −qN 1D / ε (0 ≦ χ ≦ a 1 ) d 2 under the full depletion approximation. φ 2 / dχ 2 = −qN 2D / ε (a 1 ≦ χ ≦ a 1 + a 2 ) with boundary conditions χ = a 1 + d (where d> a 2 ), dφ / dχ = 0 χ = 0 and φ = By solving under − (V bi −V G ), 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, the n-type active layer 2
The carrier concentration N 1D, N 2D is N 1DA, When becomes N 2DA,
The threshold voltage V thA after irradiation is Becomes Therefore, the deviation amount ΔV th of the threshold voltage V th due to the radiation irradiation is Becomes However, there is a N D -N DA = N 1D -N 1DA = N 2D -N 2DA. Accordingly, when the decrease of the carrier concentration by radiation irradiation and ΔN D = N D -N DA, because it is a = a 1 + a 2, ΔV th = {(q · a 2) / 2ε} · ΔN D ... (5)

次に、本発明者は活性層2の実効厚さaを450(=150
+300)Å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
ンの放射線においても閾値電圧の変化量ΔVthは0.04V程
度の低い値になっている。従って、活性層2の全体の厚
さaを450Å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。
Next, the present inventors set the effective thickness a of the active layer 2 to 450 (= 150
+300) Å, and using the MESFET of FIG.
1 × 10 8, 1 × irradiated with 109 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. Therefore, according to the equation (5), the total dose R =
When obtaining the 1 × 10 8, 1 × 10 9, 3 × 10 9 variation of carrier concentration in the case of X-ray (decrease) .DELTA.N D, now black point of FIG. 3, .DELTA.N indicated above D = 3.06 × 10 10 · R 0.678 (1) It was found that the relational expression (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. Further, in FIG. 2, the change amount ΔV th of the threshold voltage is a low value of about 0.04 V even for radiation of R = 1 × 10 9 X-rays. Therefore, it was confirmed that when the total thickness a of the active layer 2 was about 450 °, 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、活性層を除く部分の幾何学形状に
おいてほぼ同一構造であって、活性層2を1層とした第
12図のようなMESFETを用いて実験を行なった。ここで、
活性層2の実効的な厚さaを1130Åとしキャリア濃度を
ND=2.09×1017cm-3とした。このような、イオン注入に
よる従来タイプのGaAsMESFETを用いたコバルト60による
ガンマ線の照射実験の場合、総線量はR=1×106、1
×107、1×108、3×108、1×109、2×109、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 further proposes that the active layer 2 has substantially the same structure in the geometrical shape except for the active layer, and the active layer 2 is a single layer.
An experiment was performed using a MESFET as shown in FIG. here,
The effective thickness a of the active layer 2 is 1130 ° and the carrier concentration is
N D = 2.09 × 10 17 cm −3 . In the case of such a gamma ray irradiation experiment using cobalt 60 using a conventional type GaAs MESFET by ion implantation, the total dose is R = 1 × 10 6 , 1
× 10 7 , 1 × 10 8 , 3 × 10 8 , 1 × 10 9 , 2 × 10 9 , 3 × 10 9
And The obtained change in the threshold voltage Vth is as shown by the black dot in FIG. 4, which is 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.

これらの閾値電圧に関する実験の結果、第1に、放射
線損傷におけるMESFETの閾値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=a1+a2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=a1
a2を450Å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 experiments on these threshold voltages, firstly, the main cause of the deterioration of the threshold characteristics of the MESFET due to radiation damage is a decrease in the carrier concentration in the active layer, and the relational expression (1)
Showed that the decrease in carrier concentration under irradiation was explained very well. Second, in equation (5), q,
ε is a constant, set because .DELTA.N D is the determined by depending on the radiation dose (1), a threshold amount of change [Delta] V th only by setting the thickness of a = a 1 + a 2 of the active layer to a predetermined value I knew I could do it. Specifically, when the thickness a of the active layer 2 is set to about 1000 ° as in the conventional product, the radiation resistance is 4th.
Although the thickness is insufficient as shown in the figure, the thickness a = a 1 +
When you set a 2 to 450Å, the radiation resistance as in the second figure is significantly improved.

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、前述のポアッソン方程式を解くことによ
り求められ、ソース抵抗RSを無視した真性FETについて 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はゲート電圧である。計
算を簡単にするためにVG=Vbiの時の飽和電流 IdssをIDSSとし、N1D≪N2DよりN1D/N2D=0とする
と、d1=a1となる。このため、(6)式は、 となる。従って、放射線照射による変化率αは、(7)
式より となる。ここで、N2DAは放射線照射後のキャリア濃度で
あり、 N2DA=N2D−ΔND …(9) であるから、(8)式は 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 is obtained by solving the above Poisson equation, and for an intrinsic FET ignoring the source resistance R S Becomes Here, W g is the electron mobility in the gate width, mu is the active layer 2, L g is the gate length, V G is the gate voltage. Get saturation current I dss when the V G = V bi and I DSS for ease of, when from N 1D << N 2D and N 1D / N 2D = 0, the d 1 = a 1. Therefore, equation (6) is Becomes Therefore, the rate of change α due to irradiation is (7)
From the formula Becomes Here, N 2DA is the carrier density after irradiation, since it is N 2DA = N 2D -ΔN D ... (9), (8) formula Becomes

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 at 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.

これらのソース・ドレイン間飽和電流に関する実験お
よび考察の結果、第1に、放射線損傷におけるMESFETの
飽和電流特性劣化の主たる原因についても活性層におけ
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)式から定まるのであるから、活性層
の下側層22の初期のキャリア濃度N2D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2×1017cm-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N2Dを3×1018cm-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 experiments and considerations on these source-drain saturation currents, firstly, the main cause of deterioration of the saturation current characteristics of the MESFET due to radiation damage is also the decrease in the carrier concentration in the active layer. It was found that the decrease in carrier concentration under irradiation was explained very well. 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 from depending on the radiation dose (1), the active layer It has been found that the saturation current change rate α can be set to a predetermined value only by setting the initial carrier concentration N2D of the lower layer 22. 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 the carrier concentration N 2D is set to 3 × 10 18 cm −3 , the radiation resistance is significantly improved as shown in FIG.

更に本発明者は、第2図および第4図の閾値電圧Vth
の特性と、第5図および第6図の飽和電流Idssの特性を
得たGaAsMESFET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図および第5図の特性に対応して第
7図のような相互コンダクタンスgmの変化率βの特性か
ら得られ、第4図および第6図の特性に対応して第8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7図および第8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(15)に前述の(1)式を
通用して得た理論値である。
Further, the present inventor has found that the threshold voltage V th shown in FIGS.
And characteristics of, using a fifth diagram and the same MESFET and GaAsMESFET to give the characteristics of the six views saturation current I dss, was measured the change in mutual conductance g m in the saturation region by irradiation. As a result, obtained from the characteristics of the rate of change β of the transconductance g m as Figure 7 in correspondence to the characteristic of FIG. 2 and FIG. 5, first in response to the characteristics of FIG. 4 and FIG. 6 characteristics of changes in the transconductance g m as Figure 8 were obtained. In FIGS. 7 and 8, black points are experimental values, and dotted lines are theoretical values obtained by applying the above-described equation (1) to theoretical equation (15) 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、前述のポアッソン方程式を解くこ
とにより求められ、ソース抵抗RSを無視した真性FETに
ついて となる。計算を簡単にするためにVG=Vbiの時の相互コ
ンダクタンスgmをgmmaxとし、N1D≪N2DよりN1D/N2D=0
とすると、d1=a1となる。このため、(11)式は となる。従って、放射線照射による変化率βは、(12)
式より β=gmmaxA/gmmax =(μ・N2DA)/(μ・N2D) …(13) となる。ここで、N2DAは放射線照射後のキャリア濃度で
あり、 N2DA=N2D−ΔND …(14) であるから、(13)式は β={μ(N2D−ΔND)}/(μ・N2D) …(15) 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 of the MESFET in the saturation region is obtained by solving the above Poisson equation, and for an intrinsic FET ignoring the source resistance R S Becomes Get transconductance g m in the case of V G = V bi and g mmax To simplify, N from N 1D «N 2D 1D / N 2D = 0
Then, d 1 = a 1 . Therefore, equation (11) Becomes Therefore, the rate of change β due to irradiation is (12)
From the equation, β = g mmaxA / g mmax = (μ A · N 2DA ) / (μ · N 2D ) (13) Here, N 2DA is the carrier density after irradiation, since it is N 2DA = N 2D -ΔN D ... (14), (13) equation β = {μ A (N 2D -ΔN D)} / (Μ · N 2D ) ... (15)

ここで、(15)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7図および
第8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 (15) 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 at 0.95, the results were as shown by the dotted lines in FIGS. 7 and 8, and the agreement with the experimental value was confirmed as described above.

これらの相互コンダクタンスに関する実験および考察
の結果、第1に、照射線損傷におけるMESFETの相互コン
ダクタンス特性劣化の主たる原因についても活性層にお
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、(15)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)式から定まるのであるから、活性
層の下側層22の初期のキャリア濃度N2Dの設定のみによ
り相互コンダクタンス変化率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8図のように不十分なものになっている
が、キャリア濃度N2Dを3×1018cm-3に設定したときに
は、第7図のように耐放射線性は著しく改善される。
As a result of experiments and considerations on these transconductances, first, the main cause of the deterioration of the transconductance characteristics of the MESFET due to radiation damage is the decrease in the carrier concentration in the active layer. It was found that the decrease in carrier concentration was explained very well. Second, the value of mu in (15) is a constant mu A / mu may be estimated approximately, yet because .DELTA.N D is the determined from depending on the radiation dose (1), the active layer It has been found that the transconductance change rate β can be set to a predetermined value only by setting the initial carrier concentration N2D of the lower layer 22. 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. 8 When the carrier concentration N 2D is set to 3 × 10 18 cm −3 , the radiation resistance is remarkably 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、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の厚さaとキャリア濃度N2D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V
th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=a1+a2は(5)式より a<{(2ε・ΔVthL)/(q・ΔND)}1/2 …(16) でなければならず、この場合の活性層2の下側層22のキ
ャリア濃度N2Dは(2)式より N2D={[2ε/(q・a2]・(Vbi−Vth)} …(17) 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=a1+a2は(16)式
より585Å以下(第2図に対応するMESFETでは450Å)と
なる。そして、このような活性層2の厚さにおいて所定
の閾値電圧Vthを得ようとしたときには、活性層2のキ
ャリア濃度N1D,N2D厚さa1,a2との相関関係により定まる
こととなる。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 thickness a of the active layer 2 and the carrier concentration N2D . That is, the GaAs MESFET is combined with the signal processing circuit to form the semiconductor device, and the threshold voltage V of the MESFET is
When the allowable variation of th is ΔV thL , the effective thickness a = a 1 + a 2 of the active layer 2 is (5) in order for the combinational circuit according to the semiconductor device to operate as designed. According to the equation, a <{(2ε ・ ΔV thL ) / (q ・ ΔN D )} 1/2 (16), and the carrier concentration N 2D of the lower layer 22 of the active layer 2 in this case is ( From equation (2), N 2D = {[2ε / (q · a 2 ) · (V bi −V th )} (17) Here, for the total dose R = 1 × 10 9 X-ray, the threshold voltage V When the allowable variation of th specifically calculated as ΔV thL = 0.1V (ΔV th < 0.1V), the variation .DELTA.N D of the carrier concentration (1) ΔN D = 3.87 × 10 16 cm -3 next from equation The effective thickness a = a 1 + a 2 of the active layer 2 is 585 ° or less (450 ° in the case of the MESFET corresponding to FIG. 2) according to the equation (16). to obtain a threshold voltage V th . And when the carrier concentration in the active layer 2 N 1D, and thus determined by the correlation between N 2D thickness a 1, a 2, however, 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.

また、MESFETのソース・ドレイン間飽和電流Idssの許
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
下側層2の初期のキャリア濃度N2Dは(10)式より N2D>ΔND/{1−[α(μ/μ)]1/2} …(18) 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=a1+a2は a={[2ε/(q・N2D)](Vbi−Vth)} …(19) 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の下側層22のキャリア濃度N2Dは(1
0)式より1.45×1018cm-3以上となる。
Also, when the source-drain saturation current I dss acceptable rate of change of the MESFET is alpha L, to the combination circuit to the operation as designed according to the semiconductor device, the lower layer of the active layer 2 2 From the equation (10), the initial carrier concentration N 2D must be N 2D > ΔN D / {1− [α L (μ / μ A )] 1/2 } (18), and the activity in this case is The effective thickness a = a 1 + a 2 of the layer 2 is as follows: a = {[2ε / (q · N 2D )] (V bi −V th )} (19) Here, the total dose R = 1 × 10 9 Roentgen, permissible saturated current I DSS change rate α L = 0.9 (I DSSA> 0.9I
More specifically calculated as DSS), the amount of change in carrier concentration .DELTA.N D is (1) from equation ΔN D = 3.87 × 10 16 cm -3 , and the carrier concentration N 2D of the lower layer 22 of the active layer 2 (1
According to the equation (0), the value is 1.45 × 10 18 cm −3 or more.

さらに、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の下側層22の初期のキャリア濃度N2Dは(15)式より N2D>ΔND/{1−βL(μ/μ)} …(21) 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=a1+a2は a={[ε/(q・N2D)](Vbi−Vth)}1/2…(22) 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の下側層22のキャリア濃度N2Dは(1
5)式より7.35×1017cm-3以上となる。
Furthermore, the transconductance g m in the saturation region of the MESFET
In order for the combinational circuit according to the semiconductor device to operate as designed when the allowable change rate of is equal to β L , the initial carrier concentration N 2D of the lower layer 22 of the active layer 2 is expressed by the following equation (15). Therefore, N 2D > ΔN D / {1−β L (μ / μ A )} (21), and the effective thickness a = a 1 + a 2 of the active layer 2 in this case is a = { [Ε / (q · N 2D )] (V bi −V th )} 1/2 (22) 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 change amount .DELTA.N D of the carrier concentration (1) ΔN D = 3.87 × 10 16 cm -3 , and the active layer 2 carrier of the lower layer 22 from the equation The concentration N 2D is (1
From equation (5), the value is 7.35 × 10 17 cm -3 or more.

耐放射線性に関する本発明品と従来品の比較を、第9
図ないし第11図に示す。第9図は放射線照射による閾値
電圧Vthの変化量ΔVthを示し、第10図はソース・ドレイ
ン間飽和電流Idssの変化率αを示し、第11図は相互コン
ダクタンスgmの変化率βを示す。これらの図において、
(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、かつキャリア濃度NDを2.09
×1017cm-3とした第4図、第6図および第8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。第9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=1×10
9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=a1+a2を45
0Å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(へ)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。なお、こ
れらの耐放射線性の向上は、飽和電流Idssおよび相互コ
ンダクタンスgmについても同様に現れていることは、第
10図および第11図から理解できる。
Comparison between the product of the present invention and the conventional product regarding radiation resistance
This is shown in FIGS. FIG. 9 shows the change amount ΔV th of the threshold voltage V th due to irradiation, FIG. 10 shows the change rate α of the source-drain saturation current I dss , and FIG. 11 shows the change rate β of the transconductance g m Is shown. In these figures,
The curves (a), (b), and (c) show the conventional MESFETs
Characteristics shows a particularly curve of (b) is the effective thickness a of the active layer 2 and 1130A, and the carrier concentration N D 2.09
Figure 4 which is a × 10 17 cm -3, and correspond to the characteristics of FIG. 6 and FIG. 8. Curve (d) shows the characteristics of a commercially available HEMT (high electron mobility transistor). As is apparent from FIG. 9, the total dose R of these conventional products is 1 × 10 9
The threshold change amount ΔV th in the X-ray is a high value of about 0.2 to 0.3 V or more. 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 leak current to the substrate are as shown by the curve (e) in FIG.
The change amount ΔV th is suppressed to about 0.12 V with 9 X-rays. On the other hand, the effective thickness a = a 1 + a 2 of the active layer 2 is set to 45
In the structure of the present invention in which the angle is set to 0 ° (corresponding to the characteristic shown in FIG. 2), the change amount ΔV th can be suppressed to a value sufficiently lower than 0.1 V even if R = 1 × 10 9 X-ray as shown by the curve (F). It can be seen that the radiation resistance was significantly improved. It should be noted that these improvements in radiation resistance also appear for the saturation current I dss and the transconductance g m similarly.
This can be understood from FIG. 10 and FIG.

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、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、GaAsMESFETの閾値電圧Vth、ソ
ース・ドレイン間飽和電流Idssおよび飽和領域での相互
コンダクタンスgmのうちの少なくとも2つは、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, 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, at least two of the threshold voltage V th of the GaAs MESFET, the source-drain saturation current I dss, and the transconductance g m in the saturation region fall within a predetermined allowable range, and therefore, the signal cooperating with the GaAs MESFET is The semiconductor device including the processing circuit 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、本発明構造のMESFETの飽和電流変化率α
の放射線量Rに対する依存性を示す図、第6図は、従来
構造のMESFETの飽和電流Idssの変化の放射線量Rに対す
る依存性と調べた実験の結果を示す図、第7図は、本発
明構造のMESFETの相互コンダクタンス変化率βの放射線
量Rに対する依存性を示す図、第8図は、従来構造のME
SFETの相互コンダクタンスgmの変化の放射線量Rに対す
る依存性を調べた実験の結果を示す図、第9図ないし第
11図は、本発明品の耐放射線性を、閾値電圧、ソース・
ドレイン間飽和電流および相互コンダクタンスのそれぞ
れについて従来品と比較した特性図、第12図は、実験に
用いた従来構造のMESFETの断面図である。 1……GaAs基板、2……n型活性層、21……活性層の上
側層、22……活性層の下側層、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 shows the result of an experiment for examining the dependence on the radiation dose R. FIG. 5 shows the saturation current change rate α of the MESFET having the structure of the present invention.
FIG. 6 shows the dependence of the change in the saturation current I dss of the conventional MESFET on the radiation dose R, and FIG. 7 shows the results of an experiment conducted. FIG. 8 shows the dependence of the transconductance change rate β on the radiation dose R of the MESFET of the invention structure. FIG.
Shows the results of experiments of examining the dependence on the radiation dose R of change in the mutual conductance g m of the SFET, Figure 9, second
Figure 11 shows the radiation resistance of the product of the present invention, the threshold voltage,
FIG. 12 is a characteristic diagram of the drain-to-drain saturation current and the transconductance as compared with the conventional product, and FIG. 12 is a cross-sectional view of the conventional MESFET used in the experiment. 1 ...... GaAs substrate, 2 ...... n-type active layer, the upper layer of 21 ...... active layer, the lower layer of 22 ...... active layer, 3 ...... n + -type contact layer.

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】キャリア濃度がN1Dで実効的な厚さがa1の
上側層とキャリア濃度がN2Dで実効的な厚さがa2の下側
層からなる活性層(但し、N1D<N2Dとする)がGaAs中に
不純物をドーピングして形成されかつ閾値電圧がVth
されたMESFETと、このMESFETの閾値電圧Vthの変化量△V
thが許容変化量△VthL以内であり、かつソース・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
N1D、N2D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、前
記活性層の誘導率をε、電子の電荷をq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N1Dが1×10
17cm-3以上1×1019cm-3以下であり、 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、 前記活性層の実効的な厚さa=a1+a2が a<{(2ε・△VthL)/(q・△ND1/2 であり、 前記活性層の放射線照射前のキャリア濃度N2Dが1×10
17cm-3以上1×1019cm-3以下であり、かつ、 N2d>△ND/{1−[α(μ/μ)]1/2} であることを特徴とする半導体装置。
An active layer comprising an upper layer having a carrier concentration of N 1D and an effective thickness of a1 and a lower layer of a carrier concentration of N 2D and an effective thickness of a2 (where N 1D <N 2D ) is formed by doping impurities into GaAs and the threshold voltage is set to V th , and the variation ΔV of the threshold voltage V th of this MESFET is
th is within the permissible change amount ΔV thL , and the rate of change α = I dssA / I dss when the value after the change in the source-drain saturation current I dss is I dssA is within the permissible change rate α L A semiconductor which comprises a signal processing circuit configured in combination with the MESFET so as to operate normally at a certain time, and which can be used in a radiation irradiation environment having a total dose R of 1 × 10 9 to 1 × 10 10 X-rays. An apparatus, wherein the carrier concentration is obtained by irradiation of the total dose R.
The amount of decrease in N 1D and N 2D was ΔN D , the carrier mobilities before and after the irradiation of the active layer were μ and μ A , the induction rate of the active layer was ε, and the electron charge was q. Sometimes, the carrier concentration N 1D of the active layer before irradiation is 1 × 10
17 cm -3 to 1 × is at 10 19 cm -3 or less, decrease amount △ N D of the carrier concentration, b, when a and c constants, a △ N D = b · R c , said active effective thickness of the layer a = a1 + a2 is a <{(2ε · △ V thL) / (q · △ N D} 1/2 and the carrier concentration N 2D of the previous irradiation of the active layer is 1 × Ten
17 cm -3 to 1 × is at 10 19 cm -3 or less, and a semiconductor, which is a N 2d> △ N D / { 1- [α L (μ / μ A)] 1/2} apparatus.
【請求項2】キャリア濃度がN1Dで実効的な厚さがa1の
上側層とキャリア濃度がN2Dで実効的な厚さがa2の下側
層からなる活性層(但し、N1D<N2Dとする)がGaAs中に
不純物をドーピングして形成されかつ閾値電圧がVth
されたMESFETと、このMESFETの閾値電圧Vthの変化量△V
thが許容変化量△VthL以内であり、かつ飽和領域での相
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キャリア濃度
N1D、N2D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、前
記活性層の誘導率をε、電子の電荷をq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N1Dが1×10
17cm-3以上1×1019cm-3以下であり、 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、 前記活性層の実効的な厚さa=a1+a2が a<{(2ε・△VthL)/(q・△ND1/2 であり、 前記活性層の放射線照射前のキャリア濃度N2Dが1×10
17cm-3以上1×1019cm-3以下であり、かつ、 N2d>△ND/{1−β(μ/μ)} であることを特徴とする半導体装置。
2. An active layer comprising an upper layer having a carrier concentration of N 1D and an effective thickness of a1 and a lower layer of a carrier concentration of N 2D and an effective thickness of a2 (where N 1D <N 2D ) is formed by doping impurities into GaAs and the threshold voltage is set to V th , and the variation ΔV of the threshold voltage V th of this MESFET is
th is within the permissible change amount ΔV thL , and the change rate β = g mA / g m when the value after the change of the transconductance g m in the saturation region is g mA is within the permissible change rate β L A semiconductor which comprises a signal processing circuit configured in combination with the MESFET so as to operate normally at a certain time, and which can be used in a radiation irradiation environment having a total dose R of 1 × 10 9 to 1 × 10 10 X-rays. An apparatus, wherein the carrier concentration is obtained by irradiation of the total dose R.
The amount of decrease in N 1D and N 2D was ΔN D , the carrier mobilities before and after the irradiation of the active layer were μ and μ A , the induction rate of the active layer was ε, and the electron charge was q. Sometimes, the carrier concentration N 1D of the active layer before irradiation is 1 × 10
17 cm -3 to 1 × is at 10 19 cm -3 or less, decrease amount △ N D of the carrier concentration, b, when a and c constants, a △ N D = b · R c , said active effective thickness of the layer a = a1 + a2 is a <{(2ε · △ V thL) / (q · △ N D} 1/2 and the carrier concentration N 2D of the previous irradiation of the active layer is 1 × Ten
17 cm -3 to 1 × is at 10 19 cm -3 or less, and wherein a is N 2d> △ N D / { 1-β L (μ / μ A)}.
【請求項3】キャリア濃度がN1Dで実効的な厚さがa1の
上側層とキャリア濃度がN2Dで実効的な厚さがa2の下側
層からなる活性層(但し、N1D<N2Dとする)がGaAs中に
不純物をドーピングして形成されたMESFETと、このMESF
ETのソース・ドレイン間飽和電流Idssの変化後の値をI
dssAとしたときの変化率α=IdssA/Idssが許容変化率α
以内であり、かつ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キャリア濃度
N1D、N2D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した
ときに、 前記活性層の放射線照射前のキャリア濃度N1Dが1×10
17cm-3以上1×1019cm-3以下であり、 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N2Dが1×10
17cm-3以上1×1019cm-3以下であって、 N2D>△ND/{1−[α(μ/μ)]1/2} であり、かつ N2D>△ND/{1−β(μ/μ)} であることを特徴とする半導体装置。
3. An active layer comprising an upper layer having a carrier concentration of N 1D and an effective thickness of a1 and a lower layer of a carrier concentration of N 2D and an effective thickness of a2 (where N 1D <N a MESFET to 2D) is formed by doping impurities into the GaAs, this MESF
The value after the change of the source-drain saturation current I dss of ET
Change rate α when dssA is assumed = I dssA / I dss is the allowable change rate α
L and transconductance g m in the saturation region
A signal processing circuit configured in combination with the MESFET to operate correctly when the change rate β = g mA / g m when the value after the change was g mA of is within the allowable rate of change beta L A semiconductor device which can be used in a radiation irradiation environment having a total dose R of not less than 1 × 10 9 x-rays and not more than 1 × 10 10 x-rays, wherein the carrier concentration by the irradiation of the total dose R is
N 1D, decrease the △ N D of N 2D, the irradiated before in the active layer, the carrier mobility after each mu, when mu A, the carrier concentration N 1D before irradiation of the active layer 1 × 10
17 cm -3 to 1 × is at 10 19 cm -3 or less, decrease amount △ N D of the carrier concentration, b, when a and c constants, a △ N D = b · R c , said active The carrier concentration N 2D of the layer before irradiation is 1 × 10
17 cm -3 or more A 1 × 10 19 cm -3 or less, an N 2D> △ N D / { 1- [α L (μ / μ A)] 1/2}, and N 2D> △ N D / {1−β L (μ / μ A )}.
【請求項4】キャリア濃度がN1Dで実効的な厚さがa1の
上側層とキャリア濃度がN2Dで実効的な厚さがa2の下側
層からなる活性層(但し、N1D<N2Dとする)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△Vthが許容変化量△VthL以内であり、
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
内であり、かつ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ME
SFET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
N1D、N2D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、前
記活性層の誘導率をε、電子の電荷をq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N1Dが1×10
17cm-3以上1×1019cm-3以下であり、 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、 前記活性層の実効的な厚さa=a1+a2が a<{(2ε・△VthL)/(q・△ND1/2 であり、 前記活性層の放射線照射前のキャリア濃度N2Dが1×10
17cm-3以上1×1019cm-3以下であって、 N2D>△ND/{1−[α(μ/μ)]1/2} であり、かつ N2D>△ND/{1−β(μ/μ)} であることを特徴とする半導体装置。
4. An active layer comprising an upper layer having a carrier concentration of N 1D and an effective thickness of a1 and a lower layer of a carrier concentration of N 2D and an effective thickness of a2 (where N 1D <N acceptable and MESFET to 2D) is formed by doping a substantially uniform impurity in the depth direction in GaAs and the threshold voltage is the V th, the amount of change △ V th of the threshold voltage V th of this MESFET is The change amount is within △ V thL ,
The value after the change of the source-drain saturation current I dss is expressed as I dssA
A change rate when the α = I dssA / I dss is within the allowable change rate alpha L, and mutual conductance g m change rate beta = g mA when the value after the change was g mA in the saturation region / g m is within the permissible change rate β L so that the ME operates properly.
A signal processing circuit configured in combination with the SFET,
A semiconductor device that can be used in a radiation irradiation environment in which a 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, wherein the carrier concentration due to the total dose R is irradiated.
The amount of decrease in N 1D and N 2D was ΔN D , the carrier mobilities before and after the irradiation of the active layer were μ and μ A , the induction rate of the active layer was ε, and the electron charge was q. Sometimes, the carrier concentration N 1D of the active layer before irradiation is 1 × 10
17 cm -3 to 1 × is at 10 19 cm -3 or less, decrease amount △ N D of the carrier concentration, b, when a and c constants, a △ N D = b · R c , said active effective thickness of the layer a = a1 + a2 is a <{(2ε · △ V thL) / (q · △ N D} 1/2 and the carrier concentration N 2D of the previous irradiation of the active layer is 1 × Ten
17 cm -3 or more A 1 × 10 19 cm -3 or less, an N 2D> △ N D / { 1- [α L (μ / μ A)] 1/2}, and N 2D> △ N D / {1−β L (μ / μ A )}.
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