JP2679396B2 - 電界効果トランジスタ - Google Patents
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Description
FET)に関するものである。
ン・デバイス・レターズ・(IEEE Electron Device Let
t.)第EDL−7巻、第12号、649頁、1986年に報告されて
いる。
図、第8図(a)のN型AlGaAs層からノンドープGaAsバ
ッファ層に向かうAl組成比およびIn組成比の分布図、第
8図(b)のポテンシャルバンド図を参照して説明す
る。
プGaAs層バッファ層2、ノンドープIn0.15Ga0.85Asチャ
ネル層3c、N型Al0.15Ga0.85As層キャリア供給層4から
構成されている。
ス(2DEG)が誘起されチャネルを形成している。AlGaAs
層4上にN型GaAsからなるキャップ層5が形成され、キ
ャップ層5上にソース電極6aおよびドレイン電極6bが蒸
着により形成され2DEGチャネル層とのオーミックコンタ
クトをとっている。また、キャップ層5をエッチングし
て形成されたリセス部にはゲート電極7が形成されてい
る。
電子供給層とチャネル層間の伝導帯オフセットの増加に
ともなうシート電子濃度の増加、および電子有効質量の
減少にともなう電子移動度の増加が期待できることであ
る。
ャネル層をミスフィット転移の起こる臨界膜厚以下にす
ることによって、弾性歪が格子不整を緩和する歪格子層
となり、良好な界面が形成されることが知られている。
るために、この臨界膜厚は減少する。In組成比を増やす
にしたがって、ミスフィット転移の発生を抑えるために
膜厚を薄くすると、量子井戸内のサブバンドエネルギー
は膜厚の二乗に逆比例して上昇するため、電子濃度の低
下、さらにはInGaAs井戸内へのキャリア閉じ込めの低下
が起こり、InGaAsをチャネルに用いるメリットがなくな
ってしまう。
目的として、InGaAs歪層におけるIn組成を増やせば増や
すほど、格子不整が増大し、臨界膜厚からくるチャネル
層厚の制限が厳しくなるというジレンマが生じる。
は、通常In組成比が0.15、膜厚が臨界膜厚以下の150Å
程度のものが用いられており、In組成比を増加すること
によるシート電子濃度の増加と電子輸送特性の向上を十
分に発揮できないという問題があった。
の増加に伴う臨界膜厚の低下を極力抑制して、実効的な
In組成を増加し得るエピタキシャル層構造を提供するこ
とにある。
ドープチャネル層、N型不純物がドープされた電子供給
層が順次積層された電界効果トランジスタ、において、 前記ノンドープチャネル層が膜厚200Å以下のInXGa
1-XAs歪層で構成され、該InXGa1-XAs歪層におけるIn組
成比Xが厚さ方向に徐々に変化し、前記ノンドープチャ
ネル層と前記N型電子供給層との界面から40Å以下110
Å以下離れた位置で最大値をとるとともに、前記In組成
比Xの前記InXGa1-XAs歪層全体での平均値が0.15以上と
するものである。
分子層のGaAs層が交互に積層された歪超格子層により膜
厚200Å以下で構成され、前記歪超格子層におけるInAs
層とGaAs層の分子層数比率m/nは厚さ方向に徐々に変化
し、前記ノンドープチャネル層と前記N型電子供給層と
の界面から40Å以上110Å以下離れた位置で最大値をと
るとともに、組成比m/(m+n)の前記歪超格子層全体
での平均値が0.15以上とするものである。
体層とn分子層の第二半導体層が交互に積層された歪超
格子層により膜厚200Å以下で構成され、前記第一半導
体層はInXGa1-XAs歪層であり、そのIn組成比Xは厚さ方
向に徐々に変化し、前記ノンドープチャネル層と前記N
型電子供給層との界面から40Å以上110Å以下離れた位
置で最大値をとるとともに、組成比X×m/(m+n)の
前記歪超格子層全体での平均値が0.15以上とするもので
ある。
給層・チャネル層間のヘテロ界面から約60〜90Å程度で
ピークを有することが、F.SternとS.D.Sarmaによってフ
ィジカル・レビュー・B(Phys.Rev.B)、第30巻、840
頁〜848頁、1984年に報告されている。
xを膜厚方向に勾配をつけたグレーディッドとし、電子
分布確率が最大となる位置近傍でxを最大とするととも
に、電子分布確率の小さくなる電子供給層界面近傍およ
びバッファ層界面近傍ではxを小さくする。
存在確率が高い位置でのIn組成比xを増加することが可
能になり、電子が実効的に走行する場所でのx値を通常
用いられている上限値(〜0.15)より大きくすることが
できる。
の積層構造からなる短周期超格子を用い、InAs層とGaAs
層の比率m/nを膜厚方向にグレーディッドとし、電子分
布が最大となる位置でm/nを最大とするとともに、電子
供給層界面近傍およびバッファ層界面近傍ではm/nを小
さくすることによっても、同様な効果が期待できる。
さにともなって電子は格子から散乱(合金散乱)を受け
るが、このように膜厚方向に制御された結晶構造を有す
る短周期超格子層をチャネルとして用いると、この合金
散乱を低減して電子輸送特性が一層改善される。
交互に積層された超格子を用い、第一半導体層をIn組成
比xが膜厚方向にグレーディッドであるInxGa1-xAsと
し、電子分布確率が最大となる位置近傍でxを最大とす
るとともに、電子分布確率の小さくなる電子供給層界面
近傍およびバッファ層界面近傍ではxを小さくすること
によっても、同様の効果が期待できる。ここで、第二半
導体層は第一半導体層と組成比分布の異なるInGaAsであ
ってもよい。
図、第2図(a)のN型AlyGa1-yAs(y=0.15)層4か
らノンドープGaAsバッファ層2に向う断面におけるAl組
成比およびIn組成比の分布図、第2図(b)のポテンシ
ャルバンド図を参照して説明する。
ッファ層2との界面からAlGaAs層4との界面に向かうに
つれて、チャネル層3におけるIn組成比xが0から最大
値0.3まで徐々に増加したあと0まで徐々に減少してい
ることである。ここで、xが最大値0.3をとるのはAlGaA
s層界面から80Å離れた位置である。
タキシャル(MBE)成長法などにより、厚さ1μmのノ
ンドープGaAsバッファ層2、厚さ160ÅのノンドープInx
Ga1-xAsグレーディッド層(x=0→0.3→0)3、厚さ
350ÅのN型Al0.15Ga0.85As(ドーピング濃度3×1018/
cm3)層4、厚さ500Åのn型GaAs(ドーピング濃度5×
1018/cm3)層5を順次成長する。
15であり、合計膜厚の160ÅはIn0.15Ga0.85Asにおいて
ミスフィット転移の起こる臨界膜厚(〜200Å)以下で
ある。
イン電極6bを蒸着によって形成したのち、アロイ熱処理
によってオーミックコンタクトをとる。
部にはゲート電極7を形成する。
戸層のほぼ中央部で2DEGの分布確率は最大値をとり、第
2図(a)からこの位置はIn組成比が最大値0.3をとる
場所に一致し、電子は高い確率でIn組成比が0.15より大
きい場所を走行することになる。
子の実効的なIn組成比をそれ以上に増加できる。
図、第4図(a)のN型AlyGa1-yAs(y=0.15)電子供
給層4からノンドープGaAsバッファ層2に向かう断面に
おけるAl組成比およびIn組成比の分布図、第4図(b)
のポテンシャルバンド図を参照して説明する。
ルとしてInAs層m分子層とGaAs層n分子層の積層構造か
らなる短周期超格子層を用いていることである。InAs層
とGaAs層の比率m/nを膜厚方向にグレーディッドとし、G
aAsバッファ層2との界面からAlGaAs層4との界面に向
かうにつれて、m/nが徐々に増加し、最大値をとったあ
と0まで徐々に減少している。ここで、m/nが最大値を
とるのはAlGaAs層界面から約70Å離れた位置である。
厚さ1μmのノンドープGaAs層2、10分子層のGaAs層3
a、1分子層のInAs層3b、6分子層のGaAs層3a、1分子
層のInAs層3b、3分子層のGaAs層3a、1分子層のInAs層
3b、2分子層のGaAs層3a、1分子層のInAs層3b、2分子
層のGaAs層3a、1分子層のInAs層3b、3分子層のGaAs層
3a、1分子層のInAs層3b、6分子層のGaAs層3a、1分子
層のInAs層3b、10分子層のGaAs層3a、1分子層のInAs層
3b(あわせて厚さ約140ÅのInAs/GaAs超格子チャネル
層)、厚さ350ÅのN型Al0.15Ga0.85As(ドーピング濃
度3×1018/cm3)電子供給層4、厚さ500ÅのN型GaAs
(ドーピング濃度5×1018/cm3)キャップ層5を順次成
長する。
であり、トータル膜厚の140ÅはIn0.16Ga0.84Asにおい
てミスフィット転移の起こる臨界膜厚(〜200Å)以下
である。
イン電極6bを蒸着によって形成したのち、アロイ処理に
よってオーミックコンタクトをとる。
たリセス部にはゲート電極7を形成する。
ぼ中心で2DEGの分布確率は最大値をとる。
おける分子層数比m/nが最大値をとる場所に一致し、電
子はIn組成比が0.15より大きい場所を高い確率で走行す
ることになる。このように、本実施例では、Inの平均組
成は0.15程度に固定したままで、電子の実効的なIn組成
比をそれ以上に増加できる。
図、第6図(a)のN型AlyGa1-yAs(y=0.15)電子供
給層4からノンドープGaAsバッファ層2に向かう断面に
おけるAl組成比およびIn組成比の分布図、第6図(b)
のポテンシャルバンド図を参照して説明する。
ルとしてInGaAs単分子層とGaAs単分子層の積層構造から
なる短周期超格子を用いていることである。InxGa1-xAs
層におけるIn組成比xを膜厚方向にグレーディッドと
し、GaAsバッファ層2との界面からAlGaAs層4との界面
に向かうにつれて、xが徐々に増加し、最大値をとった
あと0まで徐々に減少している。ここで、m/nが最大値
をとるのはAlGaAs層界面から約70Å離れた位置である。
厚さ1μmのノンドープGaAsバッファ層2,1分子層の第1
GaAs層3a、1分子層の第1InGaAs層(x=0.05)3c、1
分子層の第2GaAs層3a、1分子層の第2InGaAs(x=0.
1)層3c、1分子層の第iGaAs層3a、1分子層の第iInGaA
s(x=0.05×i)層3c、1分子層の第12GaAs層3a、1
分子層の第12InGaAs(x=0.6)層3c、1分子層の第13G
aAs層3a、1分子層の第13InGaAs(x=0.6)層3c、1分
子層の第jGaAs層3a、1分子層の第jInGaAs(x=0.05×
(25−j))層3c、1分子層の第23GaAs層3a、1分子層
の第23InGaAs(x=0.1)層3c、1分子層の第24GaAs層3
a、1分子層の第24InGaAs(x=0.05)層3c(あわせて
厚さ約140ÅのInGaAs/GaAs超格子チャネル層)、厚さ35
0ÅのN型Al0.15Ga0.85As(ドーピング濃度3×1018/cm
3)電子供給層4、厚さ500ÅのN型GaAs(ドーピング濃
度5×1018/cm3)キャップ層を順次成長する。
あり、トータル膜厚の140ÅはIn0.16Ga0.84Asにおいて
ミスフィット転移の起こる臨界膜厚(〜200Å)以下で
ある。
イン電極6bを蒸着によって形成したのち、アロイ処理に
よってオーミックコンタクトをとる。
部にはゲート電極7を形成する。
ほぼ中心で2DEGの分布確率は最大値をとる。
成比xが最大値をとる場所に一致し、電子はIn組成比0.
15より大きい場所を高い確率で走行する。
で、電子の実効的なIn組成比をそれ以上に増加できる。
m(GaAs)n超格子系、およびAlGaAs/(InGaAs)m(G
aAs)n超格子系の代りに、InAlAs/InGaAs系、InP/InGa
As系、InAlAs/(InAs)m(GaAs)n超格子系、InP/(I
nAs)m(GaAs)n超格子系、InAlAs/(InxGa1-xAs)m
(In0.53Ga0.47As)n超格子系、InP/(InxGa1-xAs)m
(In0.53Ga0.47As)n超格子系、InAlAs/(InxGa1-xA
s)m(In0.52Al0.48As)n超格子系、InP/(InxGa1-xA
s)m(In0.52Al0.48As)n超格子系など、InGaAs、(I
nAs)m(GaAs)n超格子、またはInGaAs層を含む超格
子をチャネルとして用いることもできる。
ながら、実効的なIn組成比を通常用いられる上限値(〜
0.15)よりも大きくすることが可能になった。
よってInGaAsチャネル2DEGFETの素子特性をより向上す
ることができる。
図(a)は第1図の組成比を示す分布図、第2図(b)
は第1図のポテンシャルバンド図、第3図は本発明の第
2の実施例を示す部分断面図、第4図(a)は第3図の
組成比を示す分布図、第4図(b)は第3図のポテンシ
ャルバンド図、第5図は本発明の第3の実施例を示す部
分断面図、第6図(a)は第5図の組成比を示す分布
図、第6図(b)は第5図のポテンシャルバンド図、第
7図は従来技術による2DEGFETを示す断面図、第8図
(a)は第7図の組成比を示す分布図、第8図(b)は
第7図のポテンシャルバンド図である。 1……半絶縁性GaAs基板、2……ノンドープGaAsバッフ
ァ層、3……ノンドープInGaAsグレーディッドチャネル
層、3a……ノンドープGaAsチャネル層、3b……ノンドー
プInAsチャネル層、3c……ノンドープInGaAsチャネル
層、4……N型AlGaAs電子供給層、5……N型GaAsキャ
ップ層、6a……ソース電極、6b……ドレイン電極、7…
…ゲート電極。
Claims (3)
- 【請求項1】半絶縁性半導体基板のうえにバッファ層、
ノンドープチャネル層、N型電子供給層が順次積層され
た電界効果トランジスタにおいて、 前記ノンドープチャネル層が膜厚200Å以下のInXGa1-XA
s歪層で構成され、該InXGa1-XAs歪層におけるIn組成比
Xが厚さ方向に徐々に変化し、前記ノンドープチャネル
層と前記N型電子供給層との界面から40Å以上110Å以
下離れた位置で最大値をとるとともに、前記In組成比X
の前記InXGa1-XAs歪層全体での平均値が0.15以上である
ことを特徴とする電界効果トランジスタ。 - 【請求項2】ノンドープチャネル層がm分子層のInAs層
とn分子層のGaAs層が交互に積層された歪超格子層によ
り膜厚200Å以下で構成され、前記歪超格子層におけるI
nAs層とGaAs層の分子層数比率m/nは厚さ方向に徐々に変
化し、前記ノンドープチャネル層と前記N型電子供給層
との界面から40Å以上110Å以下離れた位置で最大値を
とるとともに、組成比m/(m+n)の前記超格子層全体
での平均値が0.15以上であることを特徴とする請求項1
記載の電界効果トランジスタ。 - 【請求項3】ノンドープチャネル層がm分子層の第一半
導体層とn分子層の第二半導体層が交互に積層された歪
超格子層により膜厚200Å以下で構成され、前記第一半
導体層はInXGa1-XAs歪層であり、そのIn組成比Xは厚さ
方向に徐々に変化し、前記ノンドープチャネル層と前記
N型電子供給層との界面から40Å以上110Å以下離れた
位置で最大値をとるとともに、組成比X×m/(m+n)
の前記歪超格子層全体での平均値が0.15以上であること
を特徴とする請求項1記載の電界効果トランジスタ。
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