JP2764507B2 - 電力用電界効果型トランジスタ - Google Patents

電力用電界効果型トランジスタ

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JP2764507B2
JP2764507B2 JP4270202A JP27020292A JP2764507B2 JP 2764507 B2 JP2764507 B2 JP 2764507B2 JP 4270202 A JP4270202 A JP 4270202A JP 27020292 A JP27020292 A JP 27020292A JP 2764507 B2 JP2764507 B2 JP 2764507B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ヘテロ接合を有し、接
合界面のキャリア濃度を高めて、高効率動作を可能とし
た半導体増幅素子(電力用電界効果型トランジスタ)の
改良に関する。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】従来、
半導体増幅素子を高効率増幅動作させる場合には、F級
動作が有効であった。このF級動作での効率を決定する
半導体増幅素子パラメータとしては、例えば、第1に半
導体増幅素子のオン抵抗,第2に高周波Gm,第3にド
レインコンダクタンス等がある。
【0003】第1の半導体増幅素子のオン抵抗において
は、チャンネル幅を大きく設定することで、その低減が
可能となる。しかし、チャンネル幅を増大させると、ゲ
ート・ソース間容量及びゲート・ドレイン間帰還容量が
増大し、後述する利得の低下を招くと言う制限もあっ
た。
【0004】図3(A),(B)に、GaAs MES
(metal semiconductor) FETを用いた場合の実測デ
ータを示すが、チャンネル幅を増加させても、オン抵抗
は2/3程度に低減するのが限界であることが分かる。
【0005】これは、高い周波数では、ゲート・ソース
間容量の寄与が無視できず、入力インダクタンスが短絡
点に近づき、入力整合を実現するのが難しくなることに
よる。
【0006】オン抵抗を低減する他の方法としては、チ
ャンネル内のキャリア濃度を上げる方法がある。しかし
キャリア濃度を上げるとオン抵抗が下がるものの、ドレ
イン耐圧の低下を招くという欠点がある。
【0007】図4は、チャンネル内のキャリア濃度が深
さ方向で一様と仮定した時のGaAsMES FET設
計チャートである。なお、横軸にキャリア濃度、縦軸に
チャンネル厚を示した。図から明らかな様に、Vpを与
えた時、Ids/Wg,Gm/Wgを改良するには、キ
ャリア濃度を上げる必要があるが、ドレイン・ゲート間
耐圧が低下すると言う欠点があり、Ids/Wg,Gm
/Wgに上限値があることが理解できる。
【0008】第2の高周波Gmの向上については、図4
のチャートからチャンネル長の短縮若しくはキャリア濃
度の増大が有効な方法であることが理解できるが、上記
第1の半導体増幅素子のオン抵抗の場合と同様な欠点も
ある。
【0009】第3のドレインコンダクタンスの改善に就
いては、素子設計の効果よりもプロセスに依るところが
大きい。ピンチオフ電圧近傍でのドレインコンダクタン
ス劣化の要因の一つにキャリアのチャンネル外沁み出し
がある。一般には、バッファ層へのキャリア漏れを防ぐ
為、P層バッファやAlGaAsヘテロバッファ層の導
入が図られているが、寄生容量の増加を招く欠点があ
る。
【0010】一方、ヘテロ接合を利用した2次元電子ガ
スデバイスでは、優れたGm特性が得られると言う特徴
を有しているが、例えば電子親和力の小さいAlGaA
s層に高濃度ドープする場合、深いトラップ準位を形成
し易く、シートキャリア濃度が飽和してしまい、ドレイ
ン・ゲート間耐圧が低いという欠点があった。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、電力用
電界効果型トランジスタに於いて、所定の電子親和力を
有する高ドープ半導体層(1)と、この高ドープ半導体
層(1)を挟持し、前記高ドープ半導体層と実質的に同
一な電子親和力を有する一対の第1のノンドープ半導体
層(2、2)で形成された第1から第N(Nは2以上の
整数)のキャリア供給層と、前記第1から第Nのキャリ
ア供給層の隣り合うキャリア供給層間に挟まれて形成さ
れ、前記高ドープ半導体層(1)及び前記第1のノンド
ープ半導体層(2、2)より小さい電子親和力を有し且
つ前記高ドープ半導体層(1)及び前記第1のノンドー
プ半導体層(2、2)より高い伝導帯ポテンシャルエネ
ルギーを有する第2のノンドープ半導体層(3)とを有
して、前記第1から第Nのキャリア供給層を前記第2の
ノンドープ半導体層(3)と実質同じ組成を有する一対
の第3のノンドープ半導体層(4、6)で挟持してチャ
ンネルを構成し、前記第2のノンドープ半導体層(3)
と前記一対の第3のノンドープ半導体層(4、6)と
は、前記高ドープ半導体層(1)及びこれを挟持する前
記第1のノンドープ半導体層(2、2)とで第1から第
Nの量子井戸を形成しており、前記第2のノンドープ半
導体層(3)は前記第1から第Nのキャリア供給層にそ
れぞれ形成された量子井戸間のキャリアの移動を阻止す
る事を特徴とする電力用電界効果型トランジスタが得ら
れる。
【0012】すなわち、前記課題を解決する本発明に係
る高効率増幅用半導体素子の構成は、電力用電界効果型
トランジスタのチャンネルを構成する際に、電子親和力
の大きい高ドープ半導体層を同じ電子親和力の大きいノ
ンドープ半導体体層で挟み、キャリア供給層を形成し
て、この1対のキャリア供給層で電子親和力の小さいノ
ンドープ半導体層を上下に挟んで量子井戸を形成し、上
記の量子井戸を多層に形成し、チャンネル幅を増やす事
無く所定の電流密度を得ることを特徴とする。
【0013】換言すれば、本発明では電子親和力の大き
い例えばGaAsの薄い高ドープGaAs層の上下をノ
ンドープの電子親和力の大きい例えばGaAs層で挟
み、このキャリア供給層でノンドープの電子親和力の小
さい例えばAlGaAs層を挟み、これを周期的に積み
上げて多層にチャンネル層を形成する。これに依りドレ
イン・ゲート間耐圧を維持しながら実効電力密度を上げ
てオン抵抗の低減・Gmの向上・ドレインコンダクタン
ス改善を図るようにしたものである。
【0014】
【実施例】以下に本発明の実施例を図面を参照して説明
する。
【0015】まず、図1(A)に示した構成断面を基に
説明する。
【0016】電子親和力の大きい高ドープGaAs層1
により、電子親和力の小さいノンドープAlGaAs層
3を上下に挟み、且つ、キャリアの蓄積を高める為に、
ノンドープGaAs層2をGaAs層1とAlGaAs
層3との間にそれぞれ挿入して、ヘテロ接合を形成し、
図1(B)に示したバンドダイアグラムが得られる。ス
レッショルド電圧VthとIdsの関係は、 Vth=ψm-{q ・ Nd ・(d-d0)2 /2ε}- ΔEc (1) Ids=( μ・Wg・ε/2Lg・d)・(Vgs-Vth) 2 (2) で与えられる。
【0017】ここでΔEcは、電子親和力の小さい例え
ばAlGaAs層3と電子親和力の大きい例えばGaA
s層1とのコンダクションバンドギャップである。ψm
はAlGaAs層4と金属とのショットキィ障壁、εは
GaAs層3の誘電率、Ndは同じくGaAs層1中の
ドナー濃度、μは電子移動度である。
【0018】VthはGaAs MES FETと比較し
て、ψm,ΔEcが異なり、所定の値に設定するには、
Ndを調製する必要がある。ここで、GaAs層1の厚
さdを5nm程度に小さく出来る事が重要である。即ち、
dが小さい分Ndを大きく採れ、Idsの増加分と相まっ
て、オン抵抗の著しい低減が実現出来る事となる。
【0019】次に、上記電子親和力の小さいAlGaA
s層と、上記ドープGaAs/ノンドープGaAs層1
周期分とを、更に上下に各々設置すれば、キャリア蓄積
層、即ち、キャリア供給層は4層得られ、この多層チャ
ンネル化に依り単位ゲート幅当たりの電力密度を高める
事が可能となる。即ち多層化にした場合でも、スレッシ
ョルド電圧は変化せずにIdsを増加させる事が可能とな
る。更には、ゲート幅を増加させる事無く出力電力を増
やす事が出来る。
【0020】層数は与えられたスレッショルド電圧とI
dsとから決定される。
【0021】次に、上述の図1(A),(B)に示した
本発明に係る高効率増幅用半導体素子の製造方法につい
て説明する。以下に示すエピ厚は、エピ成長条件での偏
差に依り変動を受ける。
【0022】図1(A)に示した様に、キャップ層とし
て電子親和力の大きいノンドープGaAs層7を500
nm半絶縁性GaAs基板8上にエピ成長させる。次に、
ラティスマッチングを取る為ノンドープAlGaAs層
6を200nm成長させる。
【0023】次にノンドープGaAs層2を5nm,Si
を6×1017cm-3ドープしたGaAs層1を2nm、更に
其の上部にノンドープGaAs層2を5nmエピ成長させ
る。
【0024】このGaAs層3層をキャリア供給層と名
付けると10nm程度の薄いノンドープAlGaAs層3
を挟んで上記キャリア供給層を設置する。
【0025】これを多層構成して、その上部の50nm厚
ノンドープAlGaAs層4に35nm厚ノンドープGa
As層9を成長させ、最上部にSiドープGaAs層5
を20nm成長させる。キャリア供給層の層数はIdsの要
求値で決定される。
【0026】
【発明の効果】以上説明した様に本発明によれば以下の
効果を奏する。
【0027】まず、キャリア濃度を上げる事無くキャリ
ア供給層の層数でIdsを増加する事からゲート・ドレイ
ン耐圧の劣化が極めて少なくなる。
【0028】次に、チャンネル幅を増加させる事無くI
dsの向上が図れてゲート・ソース容量の増加を防ぐ事が
できる。
【0029】さらに、AlGaAs層にドープする事を
せずGaAs/AlGaAs量子井戸構造に依りGaA
sにドープしてヘテロ構造を実現した。この結果高濃度
のドーピングが可能となり素子の高性能化が可能とな
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】高効率増幅用半導体素子の一例を示す概略図で
あり、図中(A)は構成断面図を、(B)はそのバンド
ダイアグラムを各々示す。
【図2】本発明のダブルヘテロを用いた場合のIdsの
実測値を示すグラフである。
【図3】GaAs MES FETを用いた場合のId
sの実測値を示すグラフである。
【図4】GaAs MES FETの設計チャート図で
ある。
【符号の説明】
1 ドープGaAs層 2 ノンドープGaAs層 3 ノンドープAlGaAs層 4 ノンドープAlGaAs層 5 SiドープGaAs層 6 ノンドープAlGaAs層 7 ノンドープGaAs層 8 SiGaAs基板 9 ノンドープGaAs層

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電力用電界効果型トランジスタに於い
    て、 所定の電子親和力を有する高ドープ半導体層(1)と、
    この高ドープ半導体層(1)を挟持し、前記高ドープ半
    導体層と実質的に同一な電子親和力を有する一対の第1
    のノンドープ半導体層(2、2)で形成された第1から
    第N(Nは2以上の整数)のキャリア供給層と、 前記第1から第Nのキャリア供給層の隣り合うキャリア
    供給層間に挟まれて形成され、前記高ドープ半導体層
    (1)及び前記第1のノンドープ半導体層(2、2)よ
    り小さい電子親和力を有し且つ前記高ドープ半導体層
    (1)及び前記第1のノンドープ半導体層(2、2)よ
    り高い伝導帯ポテンシャルエネルギーを有する第2のノ
    ンドープ半導体層(3)とを有して、 前記第1から第Nのキャリア供給層を前記第2のノンド
    ープ半導体層(3)と実質同じ組成を有する一対の第3
    のノンドープ半導体層(4、6)で挟持してチャンネル
    を構成し、 前記第2のノンドープ半導体層(3)と前記一対の第3
    のノンドープ半導体層(4、6)とは、前記高ドープ半
    導体層(1)及びこれを挟持する前記第1のノンドープ
    半導体層(2、2)とで第1から第Nの量子井戸を形成
    しており、 前記第2のノンドープ半導体層(3)は前記第1から第
    Nのキャリア供給層にそれぞれ形成された量子井戸間の
    キャリアの移動を阻止する事を特徴とする電力用電界効
    果型トランジスタ。
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