JP2710309B2 - ヘテロ接合電界効果トランジスタ - Google Patents
ヘテロ接合電界効果トランジスタInfo
- Publication number
- JP2710309B2 JP2710309B2 JP62085739A JP8573987A JP2710309B2 JP 2710309 B2 JP2710309 B2 JP 2710309B2 JP 62085739 A JP62085739 A JP 62085739A JP 8573987 A JP8573987 A JP 8573987A JP 2710309 B2 JP2710309 B2 JP 2710309B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- effect transistor
- layer
- gaas
- gallium arsenide
- field effect
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
- 230000005669 field effect Effects 0.000 title claims description 30
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 52
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 claims description 52
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 11
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 claims description 5
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 2
- 238000007599 discharging Methods 0.000 claims description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims description 2
- 239000004047 hole gas Substances 0.000 description 12
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 6
- 229910000980 Aluminium gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 4
- FTWRSWRBSVXQPI-UHFFFAOYSA-N alumanylidynearsane;gallanylidynearsane Chemical compound [As]#[Al].[As]#[Ga] FTWRSWRBSVXQPI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 229910001020 Au alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000846 In alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N Potassium Chemical compound [K] ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- MDPILPRLPQYEEN-UHFFFAOYSA-N aluminium arsenide Chemical compound [As]#[Al] MDPILPRLPQYEEN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- BIXHRBFZLLFBFL-UHFFFAOYSA-N germanium nitride Chemical compound N#[Ge]N([Ge]#N)[Ge]#N BIXHRBFZLLFBFL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 1
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011591 potassium Substances 0.000 description 1
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 1
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
- H01L29/76—Unipolar devices, e.g. field effect transistors
- H01L29/772—Field effect transistors
- H01L29/778—Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface
- H01L29/7781—Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface with inverted single heterostructure, i.e. with active layer formed on top of wide bandgap layer, e.g. IHEMT
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Junction Field-Effect Transistors (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明はゲルマニウムを能動層とするヘテロ接合電界
効果トランジスタに関する。 〔従来の技術〕 砒化ガリウムはシリコンに比べ電子移動度が４〜５倍
大きいため、砒化ガリウムを能動層とする種々の電界効
果トランジスタが高速および高周波用トランジスタとし
て使用されている。この中には例えばショットキー・ゲ
ート構造電界効果トランジスタ（MESFET），選択ドープ
構造電界効果トランジスタ（HEMT），絶縁ゲート構造電
界効果トランジス（SISFET）等があげられる。 このような電界効果トランジスタを用いて大規模集積
回路を実現するには、消費電力,.動作余裕度等の観点か
らコンプリメンタリな回路で構造することが最も望まし
い。シリコンを材料とする集積回路では、このような回
路はCMOS回路と呼ばれている。 一方、砒化ガリウムは電子の移動度μe（＝8500cm2/V
・sec）は大きいが正孔の移動度μh（＝400cm2/V・se
c）は小さく、コンプリメンタリな回路を実現した時、
ｐチャンネル電界効果トランジスタのドレイン飽和電流
あるいは相互コンダクタンスgmの値が小さくなる。この
ため、ｎチャンネルおよびｐチャンネル電界効果トラン
ジスタからなるコンプリメンタリ回路全体のスイッチン
グ時間、あるいは集積度といった特性が、ｐチャンネル
・トランジスタの特性で制限され、高速化，集積化とい
った面で大きな障害となってくる。 これを避けるためには、ｐチャンネル・トランジスタ
のゲート幅を広くして、相互コンダクタンスgmを大きく
とる設計が必要になるが、これは回路のチップ占有面積
が大きくなり、大規模集積化が困難となる。あるいはこ
れに付随して配線長も長くなるため、配線による負荷が
増大し、スイッチング時間が長くなり、回路の高速化を
図る上で障害となるといった欠点が生ずる。事実、文献
アイ・イー・イー・デム（IEDM）85,ダイジェスト オ
ブ テクニカル ペーパーズ（Digest of technical Pa
pers）317頁記載のデータによると、同一砒化リウムウ
ェハー上に実現されたコンプリメンタリ絶縁ゲート構造
電界効果トランジスタ回路において、ｎチャンネルトラ
ンジスタの相互コンダクタンスgmは218mS/mm、ｐチャン
ネルトランジスタの相互コンダクタンスgmは28mS/mmの
値を持ち、相互コンダクタンスgmの違いは８倍近くに及
ぶことがわかる。 第３図は従来例のｐチャンネル電界効果トランジスタ
の断面図を模式化したものである。半絶縁性の砒化ガリ
ウム基板21の上に真性の砒化ガリウム層22,p型に高濃度
ドーピングされた砒化アルミニウム・ガリウム層28がエ
ピタキシャル成長され、この砒化アルミニウム・ガリウ
ム層28上にはショットキー接合するゲート電極24が、ま
たゲート電極24の左右にはイオン注入法により形成され
たｐ型高濃度層（p+コンククト層）27が、さらにその上
にはソース電極25,ドレイン電極26が設けられている。
砒化ガリウム層22中の、砒化アルミニウム・ガリウム層
28とのヘテロ接合界面には縮退した２次元正孔ガス23が
形成され、砒化ガリウム層22を能動層とするｐチャンネ
ル電界効果トランジスタが実現されている。 この様な回路ではｐチャンネルトランジスタの特性が
回路全体の特性を制限し、砒化ガリウムにおけるシリコ
ンに対する電子移動度の優位性は、ほとんど発揮されな
いことになる。 〔発明が解決しようとする問題点〕 以上のように、砒化ガリウムウェハー上に大規模集積
回路を実現するため、コンプリメンタリ電界効果トラン
ジスタ回路を用いると、ｎチャンネルトランジスタもｐ
チャンネルトランジスタも能動層が砒化ガリウムである
ため、砒化ガリウム中の正孔の移動度が小さく、回路全
体の特性がｐチャンネルトランジスタの特性によって制
限され、高速化，高集積化にとり重大な障害となるとい
った欠点があった。 本発明の目的はこれら従来の砒化ガリウムを基板とす
るｐチャンネル電界効果トランジスタの持つ欠点を除去
し、新規なｐチャンネル電界効果トランジスタを提供す
ることにある。 〔問題点を解決するための手段〕 上記目的を達成するために、本発明は、半絶縁性又は
ｎ型の砒化ガリウム基板上に、ｐ型にドープされた砒化
ガリウム層及び真性のゲルマニウム層からなる積層構造
と、前記積層構造の垂直方向に電界を印加できるゲート
電極と、前記積層構造の面内方向に正孔を注入、排出す
るソース電極及びドレイン電極とを有し、ソース電極か
らドレイン電極へ向かう方向が、基板面内で〈1,0,0〉
又はそれと等価な結晶方向になるようにしたものであ
る。 〔作用〕 エー・ジー・ミルネス（A.G.Milnes）とディー・エル
・フォイヒト（D.L.Feucht）の著による文献「ヘテロジ
ャンクションズ・アンド・メタル・セミコンダクタ・ジ
ャンクションズ」（Heterojunctions・and・Metal・Sem
iconductor・junctions）（日本語訳版、酒井、高橋、
森泉、共訳「半導体ヘテロ接合」９頁）に示されている
ように、ゲルマニウム（以下、Geと略記）と砒化ガリウ
ム（以下GaAs）は、格子定数が殆ど等しく、またそれぞ
れの熱膨脹係数も室温を中心とする広い温度範囲におい
て極めて近い値を持つ。したがってGeとGaAsは両者の結
晶性が極めて良い状態でヘテロ接合が形成できる。 また、ジェー・エム・バリンガル（J.M.Ballingall）
らにより、文献「ジャーナル・オブ・アブライド・フィ
ジックス（Journal of Applied Physics）」誌、第52
巻,6号,4098頁からに示されているように、また同著者
により文献「ジャーナル・オブ・バキューム・サイエン
ス・アンド・テクノロジー（Journal of Vacuum Scienc
e and Technology）」誌、B1巻,3号,675頁から示されて
いるように、分子線エピタキシャル成長（以下、MBEと
略記）法を用いると、GeはGaAs基板上に250℃から300℃
という低温でエピタキシャル成長する。したがってGeと
GaAsのヘテロ接合界面は極めて急峻な状態で、エピタキ
シャル成長できる。このことは前記ジェー・エム・バリ
ンガル著の２つの文献により、GeからGaAsへの遷移領域
は、400℃,1時間の熱履歴を経た後でも10オングストロ
ーム程度と見積もられる事からも検証できる。 また、シー・エー・チャング（Ｃ・Ａ・Chang）らに
より文献「ジャーナル・オブ・バキューム・サイエンス
・アンド・テクノロジー（Journal of Vacuum Science
and Technology）」誌、19巻,3号,567頁からに示されて
いる内容によれば、GeとGaAsのヘテロ接合界面での相互
拡散は、400℃,4時間の熱履歴を経た後でも10オングス
トローム以下と報告されている。 したがって、GeとGaAsのヘテロ接合界面は、400℃程
度の温度履歴があっても数原子層オーダーで極めて急峻
で、かつまた両者の格子定数，温度膨脹係数が極めて近
いことから欠陥や歪みがはいること無く良質な結晶性を
保ったまま、理想的なヘテロ接合ができると考えられ
る。 また、Geの禁制帯幅は0.66eV、GaAsの禁制帯幅は1.42
eVであるがジェー・エム・バリンガル著による前記２つ
の文献によると、GeとGaAsのヘテロ接合面では、伝導帯
側のエネルギー不連続値は80meVと小さく、２種の半導
体の禁制帯幅の不連続はほとんど価電子帯にあることが
わかる。したがって、第２図に示すようにGaAs側にアク
セプタをドープしてやると、ここに生成された正孔は、
正孔にとって低エネルギー側のGe側に落ち込み２次元正
孔ガスを形成する。なお、第２図はエネルギーバンド図
で、（ａ）はGe,GaAsとも真性の場合、（ｂ）はGaAs側
にアクセプタをドープした場合である。これは当該分野
で公知の選択ドープされた砒化ガリウムアルミニウム
（以下AlGaAs）とGaAsのヘテロ界面に２次元正孔ガスが
形成されることとおなじ理由による。GaAsとAlGaAsの価
電子帯のエネルギー不連続値が0.1eV程度であるのに対
し、このGeとGaAsでは、0.7eV程度と格段に大きい。し
たがってよりたくさんの正孔を蓄積する事ができ、２次
元正孔ガスの面密度N2を大きくできる。 さらにGe中の正孔の移動密度μhは室温で1900cm-2／
（Ｖ・sec）と非常に大きいため、このGe中の２次元正
孔ガスを電界効果トランジスタの担体として用いた場合
に、相互コンダクタンスgmが従来のGaAsを用いたｐ型電
界効果トランジスタと比べ、10倍以上と非常に大きな値
を持つ高性能のｐ型電界効果トランジスタを作ることが
できる。 また、エル・レジアニ（L.Reggiani）らにより文献フ
ィジカル・レビュー（Physical Review）誌,B16巻,6号,
2781頁に述べられているように、Ge中の正孔は〈1,0,
0〉方向に対し、移動度が最大となる。したがって、ソ
ース電極からドレイン電極へ向かう方向を〈1,0,0〉方
向にすることによりもっと相互コンダクタンスgmの大き
い電界効果トランジスタが実現できる。 〔実施例〕 第１装置は本発明の一実施例であるヘテロ構造電界効
果トランジスタの断面模式図である。 本実施例のヘテロ構造電界効果トランジスタの構造
を、その製造方法を説明しながら述べる。 半絶縁性GaAs（1,0,0）基板１上に、真性GaAs層2,ベ
リリウムドープのｐ型GaAs層3,真性のGe層4,続いて真性
のGaAs層５をMBE法により順次成長させた。Ge層４上に
直接ゲート電極７を形成しショットキーバリアを形成す
ることもできるが、この場合のバリアの高さは0.4eV程
度と低く、ゲート電極からの漏れ電流が大きくなる可能
性がある。これを防ぐために障壁層として真性のGaAs層
５が挿入されている。この結果ゲート電極からの漏れ電
流は無視できる小さな値に抑えられた。 ２次元正孔ガス６が形成されるGe/GaAs界面は、前記
作用の項で述べたように急峻であり、さらにGe層は良質
の結晶性をもって成長できる。GaAs層５上のゲート電極
７としてはアルミニウムを用い、セルフアライン法によ
りゲート電極下以外の部分のGaAs層５を取り去り、ソー
ス電極8,ドレイン電極９として金／インジウム合金を蒸
着し、350℃の低温でインジウムを拡散させることによ
りP+コンタクト層10を形成し、２次元正孔ガス６とコン
タクトをとった。 ここでソース電極8,ドレイン電極９の方向は、基板１
の〈1,0,0〉方向にとってある。 なお、上述のゲート電極７は他の金属を用いても良
く、ゲート電極７とGe層４の間の絶縁層としては上記Ga
As層以外、窒化ゲルマニウム（Ge3N4等）や酸化珪素等
の絶縁膜を用いてもよい。また、２次元正孔ガスとのコ
ンタクトをとるソース電極，ドレイン電極下の部分は、
ホウ素等を用いたイオン注入によっても製作できる。 本実施例のｐチャンネル電界効果トランジスタは、正
孔移動度の大きなゲルマニウムを能動層とし、さらに価
電子帯不連続の大きなGe/GaAsヘテロ接合を用いること
により、２次元正孔ガスの面密度NSが大きくとれる選択
ドープ型FETであるため、砒化ガリウムを能動層とする
ｐチャンネル電界効果トランジスタに比べ、相互コンダ
クタンスgmが約10倍近く増大する。この結果砒化ガリウ
ム基板上に形成されるｐチャンネル電界効果トランジス
タのgmがおよそ250mS/mm程度に増大することが予想さ
れ、同じく砒化ガリウム基板上に形成されるｎチャンネ
ル電界効果トランジスタの相互コンダクタンスgm＝218m
S/mmと同程度となり、高速，高集積化が可能なコンプリ
メンタリ電界効果トランジスタ回路が実現できる。 〔発明の効果〕 本発明によれば、回路全体の特性がｐチャンネルトラ
ンジスタの特性によって制限されることなく、しかも砒
化ガリウム中の正孔の移動度を大きくすることができる
ので、高速化，高集積化が可能なヘテロ接合電界効果ト
ランジスタを実現することができる。
効果トランジスタに関する。 〔従来の技術〕 砒化ガリウムはシリコンに比べ電子移動度が４〜５倍
大きいため、砒化ガリウムを能動層とする種々の電界効
果トランジスタが高速および高周波用トランジスタとし
て使用されている。この中には例えばショットキー・ゲ
ート構造電界効果トランジスタ（MESFET），選択ドープ
構造電界効果トランジスタ（HEMT），絶縁ゲート構造電
界効果トランジス（SISFET）等があげられる。 このような電界効果トランジスタを用いて大規模集積
回路を実現するには、消費電力,.動作余裕度等の観点か
らコンプリメンタリな回路で構造することが最も望まし
い。シリコンを材料とする集積回路では、このような回
路はCMOS回路と呼ばれている。 一方、砒化ガリウムは電子の移動度μe（＝8500cm2/V
・sec）は大きいが正孔の移動度μh（＝400cm2/V・se
c）は小さく、コンプリメンタリな回路を実現した時、
ｐチャンネル電界効果トランジスタのドレイン飽和電流
あるいは相互コンダクタンスgmの値が小さくなる。この
ため、ｎチャンネルおよびｐチャンネル電界効果トラン
ジスタからなるコンプリメンタリ回路全体のスイッチン
グ時間、あるいは集積度といった特性が、ｐチャンネル
・トランジスタの特性で制限され、高速化，集積化とい
った面で大きな障害となってくる。 これを避けるためには、ｐチャンネル・トランジスタ
のゲート幅を広くして、相互コンダクタンスgmを大きく
とる設計が必要になるが、これは回路のチップ占有面積
が大きくなり、大規模集積化が困難となる。あるいはこ
れに付随して配線長も長くなるため、配線による負荷が
増大し、スイッチング時間が長くなり、回路の高速化を
図る上で障害となるといった欠点が生ずる。事実、文献
アイ・イー・イー・デム（IEDM）85,ダイジェスト オ
ブ テクニカル ペーパーズ（Digest of technical Pa
pers）317頁記載のデータによると、同一砒化リウムウ
ェハー上に実現されたコンプリメンタリ絶縁ゲート構造
電界効果トランジスタ回路において、ｎチャンネルトラ
ンジスタの相互コンダクタンスgmは218mS/mm、ｐチャン
ネルトランジスタの相互コンダクタンスgmは28mS/mmの
値を持ち、相互コンダクタンスgmの違いは８倍近くに及
ぶことがわかる。 第３図は従来例のｐチャンネル電界効果トランジスタ
の断面図を模式化したものである。半絶縁性の砒化ガリ
ウム基板21の上に真性の砒化ガリウム層22,p型に高濃度
ドーピングされた砒化アルミニウム・ガリウム層28がエ
ピタキシャル成長され、この砒化アルミニウム・ガリウ
ム層28上にはショットキー接合するゲート電極24が、ま
たゲート電極24の左右にはイオン注入法により形成され
たｐ型高濃度層（p+コンククト層）27が、さらにその上
にはソース電極25,ドレイン電極26が設けられている。
砒化ガリウム層22中の、砒化アルミニウム・ガリウム層
28とのヘテロ接合界面には縮退した２次元正孔ガス23が
形成され、砒化ガリウム層22を能動層とするｐチャンネ
ル電界効果トランジスタが実現されている。 この様な回路ではｐチャンネルトランジスタの特性が
回路全体の特性を制限し、砒化ガリウムにおけるシリコ
ンに対する電子移動度の優位性は、ほとんど発揮されな
いことになる。 〔発明が解決しようとする問題点〕 以上のように、砒化ガリウムウェハー上に大規模集積
回路を実現するため、コンプリメンタリ電界効果トラン
ジスタ回路を用いると、ｎチャンネルトランジスタもｐ
チャンネルトランジスタも能動層が砒化ガリウムである
ため、砒化ガリウム中の正孔の移動度が小さく、回路全
体の特性がｐチャンネルトランジスタの特性によって制
限され、高速化，高集積化にとり重大な障害となるとい
った欠点があった。 本発明の目的はこれら従来の砒化ガリウムを基板とす
るｐチャンネル電界効果トランジスタの持つ欠点を除去
し、新規なｐチャンネル電界効果トランジスタを提供す
ることにある。 〔問題点を解決するための手段〕 上記目的を達成するために、本発明は、半絶縁性又は
ｎ型の砒化ガリウム基板上に、ｐ型にドープされた砒化
ガリウム層及び真性のゲルマニウム層からなる積層構造
と、前記積層構造の垂直方向に電界を印加できるゲート
電極と、前記積層構造の面内方向に正孔を注入、排出す
るソース電極及びドレイン電極とを有し、ソース電極か
らドレイン電極へ向かう方向が、基板面内で〈1,0,0〉
又はそれと等価な結晶方向になるようにしたものであ
る。 〔作用〕 エー・ジー・ミルネス（A.G.Milnes）とディー・エル
・フォイヒト（D.L.Feucht）の著による文献「ヘテロジ
ャンクションズ・アンド・メタル・セミコンダクタ・ジ
ャンクションズ」（Heterojunctions・and・Metal・Sem
iconductor・junctions）（日本語訳版、酒井、高橋、
森泉、共訳「半導体ヘテロ接合」９頁）に示されている
ように、ゲルマニウム（以下、Geと略記）と砒化ガリウ
ム（以下GaAs）は、格子定数が殆ど等しく、またそれぞ
れの熱膨脹係数も室温を中心とする広い温度範囲におい
て極めて近い値を持つ。したがってGeとGaAsは両者の結
晶性が極めて良い状態でヘテロ接合が形成できる。 また、ジェー・エム・バリンガル（J.M.Ballingall）
らにより、文献「ジャーナル・オブ・アブライド・フィ
ジックス（Journal of Applied Physics）」誌、第52
巻,6号,4098頁からに示されているように、また同著者
により文献「ジャーナル・オブ・バキューム・サイエン
ス・アンド・テクノロジー（Journal of Vacuum Scienc
e and Technology）」誌、B1巻,3号,675頁から示されて
いるように、分子線エピタキシャル成長（以下、MBEと
略記）法を用いると、GeはGaAs基板上に250℃から300℃
という低温でエピタキシャル成長する。したがってGeと
GaAsのヘテロ接合界面は極めて急峻な状態で、エピタキ
シャル成長できる。このことは前記ジェー・エム・バリ
ンガル著の２つの文献により、GeからGaAsへの遷移領域
は、400℃,1時間の熱履歴を経た後でも10オングストロ
ーム程度と見積もられる事からも検証できる。 また、シー・エー・チャング（Ｃ・Ａ・Chang）らに
より文献「ジャーナル・オブ・バキューム・サイエンス
・アンド・テクノロジー（Journal of Vacuum Science
and Technology）」誌、19巻,3号,567頁からに示されて
いる内容によれば、GeとGaAsのヘテロ接合界面での相互
拡散は、400℃,4時間の熱履歴を経た後でも10オングス
トローム以下と報告されている。 したがって、GeとGaAsのヘテロ接合界面は、400℃程
度の温度履歴があっても数原子層オーダーで極めて急峻
で、かつまた両者の格子定数，温度膨脹係数が極めて近
いことから欠陥や歪みがはいること無く良質な結晶性を
保ったまま、理想的なヘテロ接合ができると考えられ
る。 また、Geの禁制帯幅は0.66eV、GaAsの禁制帯幅は1.42
eVであるがジェー・エム・バリンガル著による前記２つ
の文献によると、GeとGaAsのヘテロ接合面では、伝導帯
側のエネルギー不連続値は80meVと小さく、２種の半導
体の禁制帯幅の不連続はほとんど価電子帯にあることが
わかる。したがって、第２図に示すようにGaAs側にアク
セプタをドープしてやると、ここに生成された正孔は、
正孔にとって低エネルギー側のGe側に落ち込み２次元正
孔ガスを形成する。なお、第２図はエネルギーバンド図
で、（ａ）はGe,GaAsとも真性の場合、（ｂ）はGaAs側
にアクセプタをドープした場合である。これは当該分野
で公知の選択ドープされた砒化ガリウムアルミニウム
（以下AlGaAs）とGaAsのヘテロ界面に２次元正孔ガスが
形成されることとおなじ理由による。GaAsとAlGaAsの価
電子帯のエネルギー不連続値が0.1eV程度であるのに対
し、このGeとGaAsでは、0.7eV程度と格段に大きい。し
たがってよりたくさんの正孔を蓄積する事ができ、２次
元正孔ガスの面密度N2を大きくできる。 さらにGe中の正孔の移動密度μhは室温で1900cm-2／
（Ｖ・sec）と非常に大きいため、このGe中の２次元正
孔ガスを電界効果トランジスタの担体として用いた場合
に、相互コンダクタンスgmが従来のGaAsを用いたｐ型電
界効果トランジスタと比べ、10倍以上と非常に大きな値
を持つ高性能のｐ型電界効果トランジスタを作ることが
できる。 また、エル・レジアニ（L.Reggiani）らにより文献フ
ィジカル・レビュー（Physical Review）誌,B16巻,6号,
2781頁に述べられているように、Ge中の正孔は〈1,0,
0〉方向に対し、移動度が最大となる。したがって、ソ
ース電極からドレイン電極へ向かう方向を〈1,0,0〉方
向にすることによりもっと相互コンダクタンスgmの大き
い電界効果トランジスタが実現できる。 〔実施例〕 第１装置は本発明の一実施例であるヘテロ構造電界効
果トランジスタの断面模式図である。 本実施例のヘテロ構造電界効果トランジスタの構造
を、その製造方法を説明しながら述べる。 半絶縁性GaAs（1,0,0）基板１上に、真性GaAs層2,ベ
リリウムドープのｐ型GaAs層3,真性のGe層4,続いて真性
のGaAs層５をMBE法により順次成長させた。Ge層４上に
直接ゲート電極７を形成しショットキーバリアを形成す
ることもできるが、この場合のバリアの高さは0.4eV程
度と低く、ゲート電極からの漏れ電流が大きくなる可能
性がある。これを防ぐために障壁層として真性のGaAs層
５が挿入されている。この結果ゲート電極からの漏れ電
流は無視できる小さな値に抑えられた。 ２次元正孔ガス６が形成されるGe/GaAs界面は、前記
作用の項で述べたように急峻であり、さらにGe層は良質
の結晶性をもって成長できる。GaAs層５上のゲート電極
７としてはアルミニウムを用い、セルフアライン法によ
りゲート電極下以外の部分のGaAs層５を取り去り、ソー
ス電極8,ドレイン電極９として金／インジウム合金を蒸
着し、350℃の低温でインジウムを拡散させることによ
りP+コンタクト層10を形成し、２次元正孔ガス６とコン
タクトをとった。 ここでソース電極8,ドレイン電極９の方向は、基板１
の〈1,0,0〉方向にとってある。 なお、上述のゲート電極７は他の金属を用いても良
く、ゲート電極７とGe層４の間の絶縁層としては上記Ga
As層以外、窒化ゲルマニウム（Ge3N4等）や酸化珪素等
の絶縁膜を用いてもよい。また、２次元正孔ガスとのコ
ンタクトをとるソース電極，ドレイン電極下の部分は、
ホウ素等を用いたイオン注入によっても製作できる。 本実施例のｐチャンネル電界効果トランジスタは、正
孔移動度の大きなゲルマニウムを能動層とし、さらに価
電子帯不連続の大きなGe/GaAsヘテロ接合を用いること
により、２次元正孔ガスの面密度NSが大きくとれる選択
ドープ型FETであるため、砒化ガリウムを能動層とする
ｐチャンネル電界効果トランジスタに比べ、相互コンダ
クタンスgmが約10倍近く増大する。この結果砒化ガリウ
ム基板上に形成されるｐチャンネル電界効果トランジス
タのgmがおよそ250mS/mm程度に増大することが予想さ
れ、同じく砒化ガリウム基板上に形成されるｎチャンネ
ル電界効果トランジスタの相互コンダクタンスgm＝218m
S/mmと同程度となり、高速，高集積化が可能なコンプリ
メンタリ電界効果トランジスタ回路が実現できる。 〔発明の効果〕 本発明によれば、回路全体の特性がｐチャンネルトラ
ンジスタの特性によって制限されることなく、しかも砒
化ガリウム中の正孔の移動度を大きくすることができる
ので、高速化，高集積化が可能なヘテロ接合電界効果ト
ランジスタを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の一実施例である電界効果トランジスタ
断面構成図、 第２図は、本発明の作用を説明する為のエネルギーバン
ド図で、（ａ）はGe,GaAsとも真性の場合、（ｂ）はGaA
s側にアクセプタをドープした場合のエネルギーバンド
図、 第３図は従来のGaAs/AlGaAsヘテロ構造を用いた２次元
正孔ガス電界効果トランジスタの断面図である。 1,21…半絶縁性GaAs基板 2,22…真性GaAs層 ３…ｐ型BeドープGaAs層 ４…真性Ge層 ５…真性GaAs層 6,23…２次元正孔ガス 7,24…ゲート電極 8,25…ソース電極 9,26…ドレイン電極 10,27…P+コンタクト層 28…ｐ型AlGaAs層
断面構成図、 第２図は、本発明の作用を説明する為のエネルギーバン
ド図で、（ａ）はGe,GaAsとも真性の場合、（ｂ）はGaA
s側にアクセプタをドープした場合のエネルギーバンド
図、 第３図は従来のGaAs/AlGaAsヘテロ構造を用いた２次元
正孔ガス電界効果トランジスタの断面図である。 1,21…半絶縁性GaAs基板 2,22…真性GaAs層 ３…ｐ型BeドープGaAs層 ４…真性Ge層 ５…真性GaAs層 6,23…２次元正孔ガス 7,24…ゲート電極 8,25…ソース電極 9,26…ドレイン電極 10,27…P+コンタクト層 28…ｐ型AlGaAs層
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 １．半絶縁性又はｎ型の砒化ガリウム基板上に、ｐ型に
ドープされた砒化ガリウム層及び真性のゲルマニウム層
からなる積層構造と、前記積層構造の垂直方向に電界を
印加できるゲート電極と、前記積層構造の面内方向に正
孔を注入、排出するソース電極及びドレイン電極とを有
し、ソース電極からドレイン電極へ向かう方向が、基板
面内で〈1,0,0〉又はそれと等価な結晶方向であること
を特徴とするヘテロ接合電界効果トランジスタ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62085739A JP2710309B2 (ja) | 1987-04-09 | 1987-04-09 | ヘテロ接合電界効果トランジスタ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62085739A JP2710309B2 (ja) | 1987-04-09 | 1987-04-09 | ヘテロ接合電界効果トランジスタ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63252484A JPS63252484A (ja) | 1988-10-19 |
| JP2710309B2 true JP2710309B2 (ja) | 1998-02-10 |
Family
ID=13867210
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62085739A Expired - Lifetime JP2710309B2 (ja) | 1987-04-09 | 1987-04-09 | ヘテロ接合電界効果トランジスタ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2710309B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101515071B1 (ko) * | 2013-11-29 | 2015-04-24 | 가천대학교 산학협력단 | 실리콘 집적가능한 게르마늄 기반의 높은 정공이동도를 갖는 트랜지스터 |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3006792B2 (ja) * | 1989-01-06 | 2000-02-07 | 日本電気株式会社 | ヘテロ構造電界効果トランジスタ |
| JPH05315366A (ja) * | 1992-05-11 | 1993-11-26 | Fujitsu Ltd | 半導体装置 |
| JP2008060359A (ja) * | 2006-08-31 | 2008-03-13 | Sony Corp | 化合物半導体デバイス |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0789584B2 (ja) * | 1984-12-19 | 1995-09-27 | 日本電気株式会社 | 半導体装置 |
| JPS61280674A (ja) * | 1985-06-06 | 1986-12-11 | Nec Corp | 半導体装置 |
-
1987
- 1987-04-09 JP JP62085739A patent/JP2710309B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101515071B1 (ko) * | 2013-11-29 | 2015-04-24 | 가천대학교 산학협력단 | 실리콘 집적가능한 게르마늄 기반의 높은 정공이동도를 갖는 트랜지스터 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS63252484A (ja) | 1988-10-19 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5479033A (en) | Complementary junction heterostructure field-effect transistor | |
| US5036374A (en) | Insulated gate semiconductor device using compound semiconductor at the channel | |
| JPH03775B2 (ja) | ||
| JPH024140B2 (ja) | ||
| JPS59207667A (ja) | 半導体装置 | |
| KR100684480B1 (ko) | 고-ｋ 유전체 장벽층을 이용한 전하 주입 트랜지스터 | |
| JPH0817186B2 (ja) | 電界効果トランジスタの製造方法 | |
| JP2710309B2 (ja) | ヘテロ接合電界効果トランジスタ | |
| JP2553510B2 (ja) | 半導体装置およびその製造方法 | |
| JP3351691B2 (ja) | 半導体装置 | |
| JP2680821B2 (ja) | ヘテロ構造電界効果トランジスタ | |
| JPS62165975A (ja) | ヘテロ構造バイポ−ラ・トランジスタ | |
| JP3006792B2 (ja) | ヘテロ構造電界効果トランジスタ | |
| JPS63244779A (ja) | 電界効果トランジスタ | |
| JPH0797637B2 (ja) | ヘテロ構造電界効果トランジスタ | |
| JPH02111073A (ja) | 絶縁ゲート電界効果トランジスタおよびその集積回路装置 | |
| JPH0458706B2 (ja) | ||
| JPS633467A (ja) | 半導体装置 | |
| JPH0763051B2 (ja) | 半導体装置 | |
| JPH0261149B2 (ja) | ||
| JP4108252B2 (ja) | 電子デバイス | |
| JP2695832B2 (ja) | ヘテロ接合型電界効果トランジスタ | |
| JP3020578B2 (ja) | 半導体装置 | |
| JPS6068661A (ja) | 半導体装置 | |
| JP2707830B2 (ja) | ヘテロ接合電界効果トランジスタ |