JP2768794B2 - Semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device

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JP2768794B2
JP2768794B2 JP7000190A JP7000190A JP2768794B2 JP 2768794 B2 JP2768794 B2 JP 2768794B2 JP 7000190 A JP7000190 A JP 7000190A JP 7000190 A JP7000190 A JP 7000190A JP 2768794 B2 JP2768794 B2 JP 2768794B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [概要] 半導体装置に係り、特にヘテロ接合を有する半導体装
置に関し、 電子移動度を低下させることなく、ノーマリオフ形FE
Tとなりうる半導体装置を提供することを目的とし、 InP基板と、前記InP基板上に形成されたアンドープの
InAsPチャネル層と、前記InAsPチャネル層上に形成され
たN型InAlAs電子供給層と、前記N型InAlAs電子供給層
上に形成されたソース及びドレイン電極と、前記ソース
及びドレイン電極の間に挟まれた前記N型InAlAs電子供
給層上に形成されたゲート電極とを有し、前記InAsPチ
ャネル層の厚さは格子不整合によって結晶に転位が発生
する臨界膜厚より薄く、前記ゲート電極に印加する電圧
によって、前記InAsPチャネル層の中に形成される2次
元電子ガスの濃度を制御するように構成する。
The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly, to a semiconductor device having a heterojunction and a normally-off FE without lowering electron mobility.
In order to provide a semiconductor device that can be T, an InP substrate, and an undoped layer formed on the InP substrate.
An InAsP channel layer, an N-type InAlAs electron supply layer formed on the InAsP channel layer, a source and drain electrode formed on the N-type InAlAs electron supply layer, and sandwiched between the source and drain electrodes. A gate electrode formed on the N-type InAlAs electron supply layer, wherein the thickness of the InAsP channel layer is smaller than a critical thickness at which dislocations occur in crystals due to lattice mismatch, and is applied to the gate electrode. The voltage is used to control the concentration of the two-dimensional electron gas formed in the InAsP channel layer.

[産業上の利用分野] 本発明は半導体装置に係り、特にヘテロ接合を有する
半導体装置に関する。
The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly, to a semiconductor device having a heterojunction.

[従来の技術] 近年、スーパーコンピュータ或いはマイクロ波通信等
に用いるための高速トランジスタの開発が進められてい
る。この様な要求に応えるものとして、例えばInGaAsを
チャネル材料として用いたHEMT(High Electron Mobili
ty Transistor)やIGFET(Insulated Gate Field Effec
t Transistor)がある。
[Related Art] In recent years, the development of high-speed transistors for use in supercomputers or microwave communication has been promoted. In response to such demands, for example, a high electron mobility (HEMT) using InGaAs as a channel material.
ty Transistor) and IGFET (Insulated Gate Field Effec)
t Transistor).

従来のHEMTを第9図に示す。 FIG. 9 shows a conventional HEMT.

InP基板2上に、In0.52Al0.48Asバッファ層4を介し
て、アンドープのIn0.53Ga0.47Asチャネル層36が形成さ
れている。このIn0.53Ga0.47Asチャネル層36上には、N
型In0.52Al0.48As電子供給層38が形成され、ヘテロ接合
を形成している。また、このN型In0.52Al0.48As電子供
給層38上には、n型In0.53Ga0.47Asキャップ層10を介し
て、AuGe/Auからなるソース電極12及びドレイン電極14
が形成されている。そしてこれらソース電極12及びドレ
イン電極14の間に挟まれたN型In0.52Al0.48As電子供給
層38上には、例えばAlからなるゲート電極16が形成され
ている。
An undoped In 0.53 Ga 0.47 As channel layer 36 is formed on the InP substrate 2 via an In 0.52 Al 0.48 As buffer layer 4. On the In 0.53 Ga 0.47 As channel layer 36, N
The type In 0.52 Al 0.48 As electron supply layer 38 is formed to form a heterojunction. A source electrode 12 and a drain electrode 14 made of AuGe / Au are provided on the N-type In 0.52 Al 0.48 As electron supply layer 38 via an n-type In 0.53 Ga 0.47 As cap layer 10.
Are formed. A gate electrode 16 made of, for example, Al is formed on the N-type In 0.52 Al 0.48 As electron supply layer 38 interposed between the source electrode 12 and the drain electrode 14.

このようなHEMTは、 チャネル層がInGaAs層であるため、電子移動度μが約
10000cm2/Vsと高い、 N型InAlAs電子供給層とInGaAsチャネル層との伝導帯
不連続量△ECが0.53eVと高く、最大2次元電子ガス濃度
も2×1012cm-2程度の大きな値が得られる という特徴をもっている。
In such an HEMT, since the channel layer is an InGaAs layer, the electron mobility μ is about
As high as 10000 cm 2 / Vs, the conduction band discontinuity ΔE C between the N-type InAlAs electron supply layer and the InGaAs channel layer is as high as 0.53 eV, and the maximum two-dimensional electron gas concentration is as large as about 2 × 10 12 cm −2. It has the characteristic that a value can be obtained.

[発明が解決しようとする課題] 化合物半導体FETの集積化のための最も優れた回路形
式は、DCFL(Direct Coupled FET Logic)回路である。
この回路は、ノーマリオフ形FETとノーマリオン形FETと
を直列に接続したもので、非常に単純な構成であるため
に集積化に適している。また、ノーマリオフ形FETを用
いているために消費電力も小さいことも、更に集積化に
適する要因となっている。
[Problems to be Solved by the Invention] A DCFL (Direct Coupled FET Logic) circuit is the most excellent circuit type for compound semiconductor FET integration.
This circuit is composed of a normally-off type FET and a normally-on type FET connected in series, and has a very simple configuration, so that it is suitable for integration. In addition, low power consumption due to the use of normally-off type FETs is a factor more suitable for integration.

一般に、HEMTの閾値電圧VTHは、 VTH=ψ−△EC−qNDd2/2ε で表される。ここで、ψはゲート・ショットキー障壁の
高さ、△ECは電子供給層とチャネル層との伝導帯不連続
量、qは素電荷、NDは電子供給層のドーピング濃度、d
はその厚さ、εはその誘電率である。
In general, the threshold voltage V TH of the HEMT is represented by V TH = ψ− △ E C −qN D d 2 / 2ε. Here, the height, △ E C is the conduction band discontinuity between the electron supply layer and the channel layer, q is the elementary charge, N D is the doping concentration of the electron supply layer of ψ gate Schottky barrier, d
Is its thickness and ε is its dielectric constant.

上記従来のN型In0.52Al0.48As/In0.53Ga0.47AsのHEM
Tにおいては、ゲート電極16とN型In0.52Al0.48As電子
供給層38とのゲート・ショットキー障壁の高さψは、ψ
=0.6eV、N型In0.52Al0.48As電子供給層38とIn0.53Ga
0.47Asチャネル層36との伝導帯不連続量△ECは、△EC
0.53eVである。いま、N型In0.52Al0.48As電子供給層38
のドーピング濃度NDを、ND=1.5×1018cm-3として、閾
値電圧VTHとN型In0.52Al0.48As電子供給層38の厚さd
との関係を求めると、第5図のグラフに示すようにな
る。
HEM of the above conventional N-type In 0.52 Al 0.48 As / In 0.53 Ga 0.47 As
At T, the height ゲ ー ト of the gate Schottky barrier between the gate electrode 16 and the N-type In 0.52 Al 0.48 As electron supply layer 38 is ψ
= 0.6 eV, N-type In 0.52 Al 0.48 As electron supply layer 38 and In 0.53 Ga
0.47 The conduction band discontinuity ΔE C with the As channel layer 36 is given by ΔE C =
0.53 eV. Now, the N-type In 0.52 Al 0.48 As electron supply layer 38
The doping concentration N D, as N D = 1.5 × 10 18 cm -3, the threshold voltage V TH and N-type In 0.52 Al 0.48 As the thickness d of the electron supply layer 38
Is obtained as shown in the graph of FIG.

従って、N型In0.52Al0.48As/In0.53Ga0.47AsのHEMT
がノーマリオフ形FETとなるためには閾値電圧VTHが、V
TH>0となる必要があり、それにはN型In0.52Al0.48As
電子供給層38の厚さdが、d<65Åとならなければなら
ない。しかし、N型In0.52Al0.48As電子供給層38の厚さ
dがこのように薄いものであっては、ゲートリーク電流
が著しく増大し、正常な素子動作を妨げてしまう。
Therefore, N-type In 0.52 Al 0.48 As / In 0.53 Ga 0.47 As HEMT
Threshold voltage V TH must be V
TH > 0 must be satisfied, which is due to N-type In 0.52 Al 0.48 As
The thickness d of the electron supply layer 38 must be d <65 °. However, when the thickness d of the N-type In 0.52 Al 0.48 As electron supply layer 38 is such a small value, the gate leakage current is significantly increased, and normal operation of the device is hindered.

しかも、良好なDCFL回路を得るためには、ノーマリオ
フ形FETの閾値電圧VTHが0.1V以上であることが必要とな
る。しかし、第5図から明らかなように、それは実現不
可能である。従って、上記従来のInGaAsをチャネル材料
として用いたHEMTは、基本回路たるDCFL回路を構成する
ことが困難であるという問題を有している。
Moreover, in order to obtain a good DCFL circuit, the threshold voltage V TH of the normally-off type FET needs to be 0.1 V or more. However, as is evident from FIG. 5, it is not feasible. Therefore, the conventional HEMT using InGaAs as a channel material has a problem that it is difficult to configure a DCFL circuit as a basic circuit.

なお、この問題を解決するために、HEMTの閾値電圧V
THが大きくなるようにしてノーマリオフ形FETを実現す
ればよいが、そのためには、上記の式から、ゲート・シ
ョットキー障壁の高さψを大きくするか、電子供給層と
チャネル層との伝導帯不連続量△ECを小さくすればよ
い。ゲート・ショットキー障壁の高さψは、金属とN型
InAlAs電子供給層とのショットキー接合によってほぼ一
定値に規定されるため、伝導帯不連続量△ECを小さくす
ることが考えられる。
To solve this problem, the HEMT threshold voltage V
To achieve a normally-off type FET by increasing the TH, it is necessary to increase the height の of the gate-Schottky barrier or to increase the conduction band between the electron supply layer and the channel layer from the above equation. What is necessary is just to make the discontinuity △ E C small. Gate and Schottky barrier height ψ is metal and N-type
Since the Schottky junction with the InAlAs electron supply layer is regulated to a substantially constant value, the conduction band discontinuity ΔE C may be reduced.

例えばInGaAsチャネル層にAlを添加してInAlGaAsチャ
ネル層とすれば、InAlGaAsのバンドギャップEgが大きく
なり、従ってN型InAlAs電子供給層との伝導帯不連続量
△ECを小さくすることができる。しかし、InAlGaAsチャ
ネル層の場合、電子移動度μが小さくなり、素子性能が
低下してしまう。
For example, if the InAlGaAs channel layer is formed by adding Al to the InGaAs channel layer, the band gap Eg of InAlGaAs increases, and thus the conduction band discontinuity ΔE C with the N-type InAlAs electron supply layer can be reduced. However, in the case of the InAlGaAs channel layer, the electron mobility μ becomes small, and the device performance is reduced.

そこで本発明は、電子移動度を低下させることなく、
ノーマリオフ形FETとなりうる半導体装置を提供するこ
とを目的とする。
Therefore, the present invention, without reducing the electron mobility,
It is an object to provide a semiconductor device which can be a normally-off type FET.

[課題を解決するための手段] 上記課題は、InP基板と、前記InP基板上に形成された
アンドープのInAsPチャネル層と、前記InAsPチャネル層
上に形成されたN型InAlAs電子供給層と、前記N型InAl
As電子供給層上に形成されたソース及びドレイン電極
と、前記ソース及びドレイン電極の増に挟まれた前記N
型InAlAs電子供給層上に形成されたゲート電極とを有
し、前記InAsPチャネル層の厚さは格子不整合によって
結晶に転位が発生する臨界膜厚より薄く、前記ゲート電
極に印加する電圧によって、前記InAsPチャネル層の中
に形成される2次元電子ガスの濃度を制御することを特
徴とする半導体装置によって達成される。
[Means for Solving the Problems] The problem is solved by providing an InP substrate, an undoped InAsP channel layer formed on the InP substrate, an N-type InAlAs electron supply layer formed on the InAsP channel layer, N-type InAl
A source and drain electrode formed on the As electron supply layer, and the N sandwiched between the source and drain electrodes.
A gate electrode formed on a type InAlAs electron supply layer, the thickness of the InAsP channel layer is smaller than a critical thickness at which dislocations occur in crystals due to lattice mismatch, and a voltage applied to the gate electrode, This is achieved by a semiconductor device characterized by controlling the concentration of a two-dimensional electron gas formed in the InAsP channel layer.

また、上記装置において、前記InAsPチャネル層のP
に対するAsの組成xを0.59以下とすることにより、前記
N型InAlAs電子供給層との伝導帯不連続量を制御して、
ノーマリオフ動作を行なうようにしたことを特徴とする
半導体装置によって達成される。
Further, in the above device, the P of the InAsP channel layer
By controlling the composition x of As to 0.59 or less to control the conduction band discontinuity with the N-type InAlAs electron supply layer,
This is achieved by a semiconductor device characterized in that a normally-off operation is performed.

更に、上記装置において、前記InAsPチャネル層のP
に対するAsの組成xを0.59以上とすることにより、前記
N型InAlAs電子供給層との伝導帯不連続量を制御して、
ノーマリオン動作を行なうようにしたことを特徴とする
半導体装置によって達成される。
Further, in the above device, the P of the InAsP channel layer
By controlling the composition x of As with respect to 0.59 or more, the conduction band discontinuity with the N-type InAlAs electron supply layer is controlled,
This is achieved by a semiconductor device characterized by performing a normally-on operation.

また、上記課題は、InP基板と、前記InP基板上に形成
されたアンドープのInAsPチャネル層と、前記InAsPチャ
ネル層上に形成されたアンドーブのInAlAsゲート絶縁層
と、前記InAlAsゲート絶縁層上に形成されたゲート電極
と、前記InAlAsゲート絶縁層及び前記InAsPチャネル層
の両側に形成されたソース、ドレイン領域と、前記ソー
ス、ドレイン領域上にそれぞれ形成されたソース及びド
レイン電極とを有し、前記InAsPチャネル層の厚さは格
子不整合によって結晶に転位が発生する臨界膜厚より薄
く、前記ゲート電極に印加する電圧によって、前記InAs
Pチャネル層の中に形成される2次元電子ガスの濃度を
制御することを特徴とする半導体装置によって達成され
る。
Further, the object is to form an InP substrate, an undoped InAsP channel layer formed on the InP substrate, an AndOb InAlAs gate insulating layer formed on the InAsP channel layer, and an InAlAs gate insulating layer formed on the InAlAs gate insulating layer. A gate electrode, source and drain regions formed on both sides of the InAlAs gate insulating layer and the InAsP channel layer, and source and drain electrodes respectively formed on the source and drain regions. The thickness of the channel layer is smaller than the critical thickness at which dislocations occur in the crystal due to lattice mismatch, and the voltage applied to the gate electrode causes the InAs
This is achieved by a semiconductor device characterized by controlling the concentration of a two-dimensional electron gas formed in a P-channel layer.

[作 用] すなわち本発明は、N型InAlAs電子供給層又はInAlAs
ゲート絶縁層とInAsP層チャネル層を用い、このInAsPチ
ャネル層のAs組成比xを変えることにより、N型InAlAs
電子供給層又はInAlAsゲート絶縁層との伝導帯不連続量
△ECを変化させて閾値電圧VTHを制御する。これによ
り、ノーマリオフ形FETを実現することが可能となる。
また、電子移動度を増大させることにより、高速性を向
上させることができる。
[Operation] That is, the present invention relates to an N-type InAlAs electron supply layer or InAlAs.
By using the gate insulating layer and the InAsP layer channel layer and changing the As composition ratio x of the InAsP channel layer, N-type InAlAs
The threshold voltage V TH is controlled by changing the conduction band discontinuity ΔE C between the electron supply layer and the InAlAs gate insulating layer. Thus, a normally-off type FET can be realized.
Further, by increasing the electron mobility, high-speed operation can be improved.

[実施例] 以下、本発明を図示する実施例に基づいて具体的に説
明する。
[Examples] Hereinafter, the present invention will be specifically described based on the illustrated examples.

第1図は本発明の第1の実施例によるHEMTの断面図、
第2図乃至第5図はそれぞれ第1図のHEMTを説明するた
めのグラフである。
FIG. 1 is a sectional view of a HEMT according to a first embodiment of the present invention,
2 to 5 are graphs for explaining the HEMT of FIG.

InP基板2上に、In0.52Al0.48Asバッファ層4を介し
て、厚さ400ÅのアンドープのInAs0.480.52チャネル
層6が、例えばMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor
Deposition)法を用いて結晶成長され、ヘテロ接合を形
成している。このInAs0.480.52チャネル層6上には、
ドーピング濃度ND=1.5×1018cm-3、厚さ100ÅのN型In
0.52Al0.48As電子供給層8が、同様にMOCVD法を用いて
結晶成長され、ヘテロ接合を形成している。
An undoped InAs 0.48 P 0.52 channel layer 6 having a thickness of 400 、 is formed on the InP substrate 2 via an In 0.52 Al 0.48 As buffer layer 4 by, for example, MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor).
A heterojunction is formed by crystal growth using a deposition method. On this InAs 0.48 P 0.52 channel layer 6,
N-type In with doping concentration N D = 1.5 × 10 18 cm -3 and thickness of 100 mm
A 0.52 Al 0.48 As electron supply layer 8 is similarly crystal-grown using the MOCVD method to form a heterojunction.

また、このN型In0.52Al0.48As電子供給層8上には、
n型In0.53Ga0.47Asキャップ層10を介して、例えばAuGe
/Auからなるソース電極12及びドレイン電極14が設けら
れている。そしてこれらのソース電極12及びドレイン電
極14は、InAs0.480.52チャネル層6中に形成される2
次元電子ガスとオーミック接触をなしている。
Further, on the N-type In 0.52 Al 0.48 As electron supply layer 8,
Via the n-type In 0.53 Ga 0.47 As cap layer 10, for example, AuGe
A source electrode 12 and a drain electrode 14 made of / Au are provided. The source electrode 12 and the drain electrode 14 are formed in the InAs 0.48 P 0.52 channel layer 6.
Makes ohmic contact with two-dimensional electron gas.

更にこれらソース電極12及びドレイン電極14の間に挟
まれたN型In0.52Al0.48As電子供給層8上には、例えば
Alからなるゲート電極16が設けられ、ショットキー接合
を形成している。
Further, on the N-type In 0.52 Al 0.48 As electron supply layer 8 sandwiched between the source electrode 12 and the drain electrode 14, for example,
A gate electrode 16 made of Al is provided to form a Schottky junction.

いま、InAsXP1-XのバンドギャップEg及び格子定数a
のAs組成比xに対する依存性を示す第2図から明らかな
ように、InAs0.480.52チャネル層6のAs組成比xが、
x=0.48のとき、格子定数aは、a≒5.84となる。この
値は、InP基板2と格子整合しているIn0.52Al0.48Asバ
ッファ層4の格子定数と一致しないが、InAsXP1-Xの臨
界膜厚hCのAs組成比xに対する依存性を示す第3図から
明らかなように、InAs0.480.52チャネル層6の厚さが
450Å以下であれば格子不整合による転位は生じない。
Now, the band gap of InAs X P 1-X Eg and lattice constant a
As is clear from FIG. 2 showing the dependency of the InAs 0.48 P 0.52 channel layer 6 on the As composition ratio x,
When x = 0.48, the lattice constant a is a ≒ 5.84. This value does not match the lattice constant of an In 0.52 Al 0.48 As buffer layer 4 that is an InP substrate 2 and the lattice matching, the dependence on InAs X P 1-X critical thickness h C of As composition ratio x of As shown in FIG. 3, the thickness of the InAs 0.48 P 0.52 channel layer 6 is
If the angle is 450 ° or less, no dislocation due to lattice mismatch occurs.

第1の実施例においては、InAs0.480.52チャネル層
6の厚さは400Åであるため、格子不整合による転位の
発生はない。同様にして、N型In0.52Al0.48As電子供給
層8との間においても、転位は生じない。
In the first embodiment, since the thickness of the InAs 0.48 P 0.52 channel layer 6 is 400 °, no dislocation occurs due to lattice mismatch. Similarly, no dislocation occurs between the N-type In 0.52 Al 0.48 As electron supply layer 8.

このとき、InAsXP1-Xの電子移動量μのAs組成比xに
対する依存性を示す第4図から明らかなように、InAs
0.480.52チャネル層6の電子移動量μは、μ≒12000c
m2/Vsとなり、来例のIn0.53Ga0.47Asチャネル層の電子
移動度μ≒10000cm2/Vsよりも高い値となっている。
In this case, as is clear from Figure 4 that shows dependence on InAs X P 1-X As the composition ratio x of the electron transfer amount μ of, InAs
0.48 P 0.52 The electron transfer amount μ of the channel layer 6 is μ ≒ 12000c
m 2 / Vs, which is higher than the electron mobility μ ≒ 10000 cm 2 / Vs of the conventional In 0.53 Ga 0.47 As channel layer.

また、第2図から明らかなように、InAs0.480.52
ャネル層6のAs組成比xがx=0.48のとき、そのバンド
ギャップEgはEg=0.86eVとなる。このInAs0.480.52
ャネル層6のN型In0.52Al0.48As電子供給層8との伝導
帯不連続量△ECをバンドギャップEgの60%と仮定する
と、△EC=0.38eVとなる。この値は、従来のInGaAsチャ
ネル層の場合が△EC=0.53eVであるのと比較すると、0.
15eVだけ小さくなっている。
As is clear from FIG. 2, when the As composition ratio x of the InAs 0.48 P 0.52 channel layer 6 is x = 0.48, the band gap Eg becomes Eg = 0.86 eV. Assuming that the conduction band discontinuity ΔE C between the InAs 0.48 P 0.52 channel layer 6 and the N-type In 0.52 Al 0.48 As electron supply layer 8 is 60% of the band gap Eg, ΔE C = 0.38 eV. This value is equal to 0.1 in comparison with ΔE C = 0.53 eV in the case of the conventional InGaAs channel layer.
Reduced by 15 eV.

従って、従来のN型In0.52Al0.48As/In0.53Ga0.47As
のHEMTにおける閾値電圧VTHとN型In0.52Al0.48As電子
供給層の厚さdとの関係を示す第5図を用いて、N型In
0.52Al0.48As電子供給層8の厚さdがゲートリーク電流
を増大させることのない程度の厚さであるd=100Åの
ときのHEMTの閾値電圧VTHを求めると、VTH=0.1Vとな
る。こうして十分に良好なノーマリオフ動作を行なう閾
値電圧VTHを実現することができる。
Therefore, the conventional N-type In 0.52 Al 0.48 As / In 0.53 Ga 0.47 As
FIG. 5 shows the relationship between the threshold voltage V TH and the thickness d of the N-type In 0.52 Al 0.48 As electron supply layer in the HEMT of FIG.
0.52 Al 0.48 As The threshold voltage V TH of the HEMT when the thickness d of the electron supply layer 8 is d = 100 °, which is a thickness that does not increase the gate leakage current, is V TH = 0.1 V Become. Thus it is possible to achieve a threshold voltage V TH to perform sufficiently good normally-off operation.

このように第1の実施例によれば、チャネル層のInAs
Pを用い、このInAsPチャネル層のAs組成比x及び厚さを
制御することにより、従来よりも高速性を向上させつ
つ、ノーマリオフ形FETを実現することができる。
Thus, according to the first embodiment, the InAs of the channel layer
By controlling the As composition ratio x and the thickness of the InAsP channel layer using P, a normally-off FET can be realized while improving the speed as compared with the conventional case.

即ち、N型In0.52Al0.48As電子供給層等との間に格子
不整合による転位の発生のない良質なヘテロ接合を形成
することができる。また、InAsPチャネル層の電子移動
度μを従来のIn0.53Ga0.47Asチャネル層の場合よりも高
くすることができる。更に、N型In0.52Al0.48As電子供
給層の厚さをゲートリーク電流を増大させることのない
程度の厚さにすることができる。そしてN型In0.52Al
0.48As電子供給層8との伝導帯不連続量△ECを小さくす
ることができ、それによって十分に良好なノーマリオフ
動作を行なうことができる高い閾値電圧VTHを得ること
ができる。
That is, a high-quality heterojunction free from dislocations due to lattice mismatch can be formed with the N-type In 0.52 Al 0.48 As electron supply layer or the like. Further, the electron mobility μ of the InAsP channel layer can be made higher than that of the conventional In 0.53 Ga 0.47 As channel layer. Further, the thickness of the N-type In 0.52 Al 0.48 As electron supply layer can be set to a thickness that does not increase the gate leakage current. And N-type In 0.52 Al
The conduction band discontinuity ΔE C with the 0.48 As electron supply layer 8 can be reduced, thereby obtaining a high threshold voltage V TH at which a sufficiently good normally-off operation can be performed.

なお、第1の実施例においては、As組成比xをx=0.
8としたInAs0.480.52チャネル層6を用いたが、この
組成比に限定されない。但し、その場合、InAsXP1-X
ャネル層のAs組成比xに対応して、その厚さやN型In
0.52Al0.48As電子供給層の厚さ等を変更制御する必要が
ある。例えば、x=0.5においては、転位の発生のない
ことを保証するため、InAsPチャネル層の厚さは、410Å
以下でなければならない。また、x<0.59において、チ
ャネル層のバンドギャップEgは、従来例のIn0.53Ga0.47
Asチャネル層のEg=0.75eVよりも大きくなり、従ってN
型In0.52Al0.48As電子供給層との伝導帯不連続量△EC
小さくすることができ、延いては閾値電圧VTHを高くす
ることができるが、このときのInAsPチャネル層の電子
移動量μは、μ≒7000〜14000cm2/Vsであり、従来例のI
n0.53Ga0.47Asチャネル層の場合とほぼ同程度となる。
In the first embodiment, the As composition ratio x is set to x = 0.
Although the InAs 0.48 P 0.52 channel layer 6 of 8 was used, the composition ratio is not limited to this. However, in that case, in response to the InAs X P 1-X of the channel layer As composition ratio x, the thickness and N-type In
0.52 Al 0.48 As It is necessary to change and control the thickness of the electron supply layer. For example, at x = 0.5, the thickness of the InAsP channel layer is set to 410Å to ensure that no dislocations occur.
Must be: When x <0.59, the band gap Eg of the channel layer is In 0.53 Ga 0.47
Eg of the As channel layer becomes larger than 0.75 eV, and therefore N
Type In 0.52 Al 0.48 As The conduction band discontinuity ΔE C with the electron supply layer can be reduced, and the threshold voltage V TH can be increased, and the electron transfer of the InAsP channel layer at this time can be increased. The amount μ is μ ≒ 7000 to 14000 cm 2 / Vs, which is
It is almost the same as the case of the n 0.53 Ga 0.47 As channel layer.

次に、第6図を用いて、本発明の第2の実施例による
HEMTについて述べる。
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
HEMT will be described.

第6図は本発明の第2の実施例によるHEMTの断面図で
ある。なお、上記第1図に示したHEMTと同一の構成要素
には同一符号を付して説明を省略する。
FIG. 6 is a sectional view of a HEMT according to a second embodiment of the present invention. The same components as those of the HEMT shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.

InP基板2上に、In0.52Al0.48Asバッファ層4を介し
て、厚さ150ÅのアンドープのInAs0.70.3チャネル層1
8が、MOCVD法を用いて結晶成長され、ヘテロ接合を形成
している。このInAs0.70.3チャネル層18上には、ドー
ピング濃度ND=1.5×1018cm-3、厚さ300ÅのN型In0.52
Al0.48As電子供給層20が、同様に結晶成長され、ヘテロ
接合を形成している。また、このN型In0.52Al0.48As電
子供給層20上には、n型In0.53Ga0.47Asギャップ層10を
介して、AuGe/Auからなるソース電極12及びドレイン電
極14が設けられている。そしてこれらソース電極12及び
ドレイン電極14の間に挟まれたN型In0.52Al0.48As電子
供給層20上には、ショットキー接触されたAlからなるゲ
ート電極16が設けられている。
An undoped InAs 0.7 P 0.3 channel layer 1 having a thickness of 150 ° is formed on an InP substrate 2 via an In 0.52 Al 0.48 As buffer layer 4.
8 is grown by MOCVD to form a heterojunction. On the InAs 0.7 P 0.3 channel layer 18, an N-type In 0.52 having a doping concentration of N D = 1.5 × 10 18 cm −3 and a thickness of 300 °
The Al 0.48 As electron supply layer 20 is similarly crystal-grown to form a heterojunction. On the N-type In 0.52 Al 0.48 As electron supply layer 20, a source electrode 12 and a drain electrode 14 made of AuGe / Au are provided via an n-type In 0.53 Ga 0.47 As gap layer 10. A gate electrode 16 made of Schottky contact Al is provided on the N-type In 0.52 Al 0.48 As electron supply layer 20 sandwiched between the source electrode 12 and the drain electrode 14.

この第2の実施例においても、上記第1の実施例と同
様に、InAs0.70.3チャネル層18のAs組成比x及び厚さ
を、それぞれx=0.7及び150Åと制御することにより、
第2図及び第3図から明らかなように、格子不整合によ
る転位が生じないようになっている。
Also in the second embodiment, as in the first embodiment, by controlling the As composition ratio x and the thickness of the InAs 0.7 P 0.3 channel layer 18 to be x = 0.7 and 150 °, respectively,
As is clear from FIGS. 2 and 3, dislocation due to lattice mismatch does not occur.

また、このときのInAs0.70.3チャネル層18の電子移
動度μは、第4図から明らかなように、μ≒18000cm2/V
sとなり、従来のHEMTのIn0.53Ga0.47Asチャネル層の電
子移動度μ≒10000cm2/Vsよりも2倍近く高い値となっ
ている。
At this time, the electron mobility μ of the InAs 0.7 P 0.3 channel layer 18 is, as apparent from FIG. 4, μ よ う 18000 cm 2 / V
s, which is almost twice as high as the electron mobility μ ≒ 10000 cm 2 / Vs of the In 0.53 Ga 0.47 As channel layer of the conventional HEMT.

そしてInAs0.480.52チャネル層18とN型In0.52Al
0.48As電子供給層20との伝導帯不連続量△ECは、△EC
0.52eVとなり、従来のHEMTのIn0.53Ga0.47Asチャネル層
の場合が△EC=0.53eVであるのと比較すると、ほぼ等し
くなっている。従って、閾値電圧VTHも、従来のN型In
0.52Al0.48As/In0.53Ga0.47AsのHEMTにおける閾値電圧V
THと同程度となり、十分に良好なノーマリオン動作を行
なうことができる。
Then, the InAs 0.48 P 0.52 channel layer 18 and the N-type In 0.52 Al
0.48 As the conduction band discontinuity △ E C with the electron supply layer 20 is △ E C =
0.52eV next, the case of the In 0.53 Ga 0.47 As channel layer of the conventional HEMT is compared is the with a △ E C = 0.53 eV, is approximately equal. Therefore, the threshold voltage V TH is also smaller than that of the conventional N-type In.
Threshold voltage V in HEMT of 0.52 Al 0.48 As / In 0.53 Ga 0.47 As
This is approximately the same as TH, and a sufficiently favorable normally-on operation can be performed.

このように第2の実施例によれば、チャネル層にInAs
Pを用い、このInAsPチャネル層のAs組成比x及び厚さを
制御することにより、従来よりも遥かに高速性を向上さ
せたノーマリオンFETを実現することができる。
As described above, according to the second embodiment, InAs is formed in the channel layer.
By using P to control the As composition ratio x and the thickness of the InAsP channel layer, a normally-on FET with a much higher speed than before can be realized.

即ち、N型In0.52Al0.48As電子供給層20等との間に格
子不整合による転位の発生のない良質なヘテロ接合を形
成することができる。また、InAsPチャネル層の電子移
動度μを従来のIn0.53Ga0.47Asチャネル層の場合よりも
2倍近く高くすることができる。そしてN型In0.52Al
0.48As電子供給層20との伝導帯不連続量△ECを従来のIn
0.53Ga0.47Asチャネル層の場合と同程度にすることがで
き、それによって十分に良好なノーマリオン動作を行な
う閾値電圧VTHを得ることができる。
That is, a high-quality heterojunction free of dislocation due to lattice mismatch can be formed between the N-type In 0.52 Al 0.48 As electron supply layer 20 and the like. Further, the electron mobility μ of the InAsP channel layer can be almost twice as high as that of the conventional In 0.53 Ga 0.47 As channel layer. And N-type In 0.52 Al
0.48 As The conduction band discontinuity ΔE C with the electron supply layer 20 is
The threshold voltage VTH for performing a sufficiently good normally-on operation can be obtained by setting the threshold voltage to approximately the same level as that of the 0.53 Ga 0.47 As channel layer.

なお、第2の実施例においては、As組成比xをx=0.
7としたInAs0.480.52チャネル層18を用いたが、この
組成比に限定されない。そして良好なノーマリオン動作
を行なう閾値電圧VTHを得るためには、N型In0.52Al
0.48As電子供給層20との伝導帯不連続量△ECを大きくし
た方が望ましいため、As組成比xも大きくした方がよ
い。但し、その場合、InAsXP1-Xチャネル層のAs組成比
xに対応して、その厚さやN型In0.52Al0.48As電子供給
層の厚さ等を変更制御する必要があるのは上記第1の実
施例と同様である。
In the second embodiment, the As composition ratio x is set to x = 0.
Although the InAs 0.48 P 0.52 channel layer 18 of 7 was used, the composition ratio is not limited to this. In order to obtain a threshold voltage V TH for performing a good normally-on operation, the N-type In 0.52 Al
Since it is desirable to increase the conduction band discontinuity ΔE C with the 0.48 As electron supply layer 20, it is better to increase the As composition ratio x. However, in that case, in response to the InAs X P 1-X of the channel layer As composition ratio x, is located in a need to change control of the thickness and the like of the thickness and N-type an In 0.52 Al 0.48 As electron supply layer above This is the same as the first embodiment.

次に、第7図を用いて、本発明の第3の実施例による
IGFETについて述べる。
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
IGFET is described.

第7図は本発明の第3の実施例によるIGFETの断面
図、第8図は第7図のIGFETを説明するためのグラフで
ある。
FIG. 7 is a sectional view of an IGFET according to a third embodiment of the present invention, and FIG. 8 is a graph for explaining the IGFET of FIG.

なお、上記第1図に示したHEMTと同一の構成要素には
同一符号を付して説明を省略する。
The same components as those of the HEMT shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.

InP基板2上に、In0.52Al0.48Asバッファ層4を介し
て、厚さ300ÅのアンドープのInAs0.510.49チャネル
層22が、MOCVD法を用いて結晶成長され、ヘテロ接合を
形成している。このInAs0.510.49チャネル層22上に
は、厚さ300ÅのアンドープのIn0.52Al0.48Asゲート絶
縁層24が、同様に結晶成長され、ヘテロ接合を形成して
いる。そしてIn0.52Al0.48Asゲート絶縁層24上には、例
えばWSiからなるゲート電極26が設けられ、ショットキ
ー接合を形成している。
An undoped InAs 0.51 P 0.49 channel layer 22 having a thickness of 300 ° is grown on the InP substrate 2 via an In 0.52 Al 0.48 As buffer layer 4 by MOCVD to form a heterojunction. On the InAs 0.51 P 0.49 channel layer 22, an undoped In 0.52 Al 0.48 As gate insulating layer 24 having a thickness of 300 ° is similarly crystal-grown to form a heterojunction. A gate electrode 26 made of, for example, WSi is provided on the In 0.52 Al 0.48 As gate insulating layer 24 to form a Schottky junction.

また、このゲート電極26をマスクとしてIn0.52Al0.48
Asバッファ層4にまで達するようにSiイオン注入され、
InAs0.510.49チャネル層22及びIn0.52Al0.48Asゲート
絶縁層24の両側に、それぞれn+型ソース領域28及びn+
ドレイン領域30が形成されている。これらのn+型ソース
領域28及びn+ドレイン領域30上には、それぞれAuGe/Au
からなるソース電極32及びドレイン電極34が設けられて
いる。
Further, using this gate electrode 26 as a mask, In 0.52 Al 0.48
Si ions are implanted to reach the As buffer layer 4,
On both sides of the InAs 0.51 P 0.49 channel layer 22 and the In 0.52 Al 0.48 As gate insulating layer 24, an n + type source region 28 and an n + type drain region 30 are formed, respectively. On these n + type source region 28 and n + drain region 30, AuGe / Au
A source electrode 32 and a drain electrode 34 are formed.

この第3の実施例においても、上記第1の実施例と同
様に、InAs0.510.49チャネル層22のAs組成比x=0.51
及び厚さ300Åを制御することにより、第2図及び第3
図から明らかなように、格子不整合による転位が生じな
いようになっている。
Also in the third embodiment, as in the first embodiment, the As composition ratio x = 0.51 of the InAs 0.51 P 0.49 channel layer 22 is used.
2 and 3 by controlling the thickness and the thickness of 300 mm.
As is clear from the figure, dislocation due to lattice mismatch is prevented from occurring.

そしてこのときの閾値電圧VTHは、 VTH=ψ−△EC で表される。そしてInAsXP1-Xチャネル層のAs組成比x
に対する閾値電圧VTHの依存性を示す第8図から明らか
なように、InAs0.510.49チャネル層22の場合の閾値電
圧VTHは、VTH=0.2Vとなる。
The threshold voltage V TH at this time is expressed by V TH = ψ- △ E C. The InAs X P 1-X of the channel layer As composition ratio x
As apparent from FIG. 8 that shows the dependence of the threshold voltage V TH for the threshold voltage V TH when the InAs 0.51 P 0.49 channel layer 22 becomes V TH = 0.2V.

従来、チャネル層にInGaAsを用いたIn0.52Al0.48As/I
n0.53Ga0.47AsのIGFETにおいては、ゲート電極とIn0.52
Al0.48Asゲート絶縁層とのゲート・ショットキー障壁の
高さψがIn0.52Al0.48Asゲート絶縁層とIn0.53Ga0.47As
チャネル層36との伝導帯不連続量△ECにほぼ等しい値と
なり、従って閾値電圧VTHが、VTH≒0Vとなってしまう。
こうした従来のIGFETと比較すると、第3の実施例にお
いては、十分に大きなノイズマージンをとれる閾値電圧
VTHとなり、良好なノーマリオフ動作を行なうことがで
きる。
Conventionally, In 0.52 Al 0.48 As / I using InGaAs for the channel layer
In an IGFET of n 0.53 Ga 0.47 As, the gate electrode and In 0.52
Al 0.48 height ψ is an In 0.52 Al 0.48 As the gate insulating layer of the gate Schottky barrier between As the gate insulating layer and an In 0.53 Ga 0.47 As
The value becomes substantially equal to the conduction band discontinuity ΔE C with the channel layer 36, and therefore, the threshold voltage V TH becomes V TH ≒ 0V.
In comparison with such a conventional IGFET, in the third embodiment, the threshold voltage at which a sufficiently large noise margin can be obtained is obtained.
VTH , and a good normally-off operation can be performed.

このように第3の実施例によれば、ゲート絶縁層にア
ンドープのInAlAs層を用いたIGFETにおいて、チャネル
層にInAsPを用い、このInAsPチャネル層のAs組成比x及
び厚さを制御することにより、ノーマリオフ形FETを実
現することができる。
As described above, according to the third embodiment, in the IGFET using the undoped InAlAs layer for the gate insulating layer, the InAsP is used for the channel layer, and the As composition ratio x and the thickness of the InAsP channel layer are controlled. Thus, a normally-off type FET can be realized.

なお、第3の実施例においては、As組成比xをx=0.
51としたInAs0.510.49チャネル層22を用いたが、この
組成比に限定されない。良好なDCFL回路を得るために
は、ノーマリオフ形FETの閾値電圧VTHが0.1V〜0.2V程度
が望ましいため、第8図から明らかなように、InAsXP
1-Xチャネル層のAs組成比xを変えることにより、所望
の閾値電圧VTHを得ることができる。
In the third embodiment, the As composition ratio x is set to x = 0.
Although the InAs 0.51 P 0.49 channel layer 22 of 51 was used, the composition ratio is not limited to this. In order to obtain good DCFL circuit, since the threshold voltage V TH of the normally-off type FET is about 0.1V~0.2V is desired, as is clear from FIG. 8, InAs X P
By changing the As composition ratio x of the 1-X channel layer, a desired threshold voltage VTH can be obtained.

このようにしてInAsXP1-X層をチャネル層として用
い、そのAs組成比x及び厚さを制御することにより、上
記第1及び第3の実施例においてはノーマリオフ形FET
を実現し、上記第2の実施例においてはノーマリオン形
FETを実現することができる。従って、これらノーマリ
オフ形FETとノーマリオン形FETとを組み合わせることに
より、DCFL回路を構成することができる。そしてこのと
き、従来のInGaAs層をチャネルとして用いる場合より
も、キャリアの移動度を増大させるか、少なくとも同程
度の移動度を保持することにより、高速性を向上させる
かまたは従来の高速性を維持している。
Thus using InAs X P 1-X layer as a channel layer, by controlling the As composition ratio x and thickness, the first and normally-off type FET in the third embodiment
And in the second embodiment, the normally-on type
FET can be realized. Therefore, a DCFL circuit can be configured by combining these normally-off type FETs and normally-on type FETs. At this time, the speed of the carrier is increased or at least maintained at the same level as that in the case where the conventional InGaAs layer is used as the channel, so that the speed is improved or the speed is maintained. doing.

[発明の効果] 以上のように本発明によれば、N型InAlAs電子供給層
又はInAlAsゲート絶縁層とInAsPチャネル層を用い、こ
のInAsPチャネル層のPに対するAs組成比xを変えるこ
とにより、N型InAlAs電子供給層又はInAlAsゲート絶縁
層との伝導帯不連続量△ECを変化させて閾値電圧VTH
制御することができる。
[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, by using an N-type InAlAs electron supply layer or an InAlAs gate insulating layer and an InAsP channel layer, and changing the As composition ratio x of P of the InAsP channel layer, The threshold voltage VTH can be controlled by changing the conduction band discontinuity ΔE C with the type InAlAs electron supply layer or the InAlAs gate insulating layer.

これにより、ノーマリオフ形FETを実現することが可
能となる。また、電子移動度を増大させて高速性を向上
させることができる。
Thus, a normally-off type FET can be realized. Further, the electron mobility can be increased to improve the high speed.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は本発明の第1の実施例によるHEMTを示す断面
図、 第2図乃至第5図はそれぞれ第1図のHEMTを説明するた
めのグラフ、 第6図は本発明の第2の実施例によるHEMTを示す断面
図、 第7図は本発明の第3の実施例によるIGFETを示す断面
図、 第8図は第7図のIGFETを説明するためのグラフ、 第9図は従来のHEMTを示す断面図である。 図において、 2……InP基板、 4……In0.52Al0.48Asバッファ層、 6……InAs0.480.52チャネル層、 8、38……N型In0.52Al0.48As電子供給層、 10……n型In0.53Ga0.47Asキャップ層、 12、32……ソース電極、 14、34……ドレイン電極、 16、26……ゲート電極、 18……InAs0.70.3チャネル層、 20……N型In0.52Al0.48As電子供給層、 22……InAs0.510.49チャネル層、 24……In0.52Al0.48Asゲート絶縁層、 28……n+型ソース領域、 30……n+型ドレイン領域、 36……In0.53Ga0.47Asチャネル層。
FIG. 1 is a sectional view showing an HEMT according to a first embodiment of the present invention, FIGS. 2 to 5 are graphs for explaining the HEMT of FIG. 1, respectively, and FIG. 6 is a second embodiment of the present invention. FIG. 7 is a sectional view showing an HEMT according to an embodiment, FIG. 7 is a sectional view showing an IGFET according to a third embodiment of the present invention, FIG. 8 is a graph for explaining the IGFET of FIG. 7, and FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view showing a HEMT. In the figure, 2 ... InP substrate, 4 ... In 0.52 Al 0.48 As buffer layer, 6 ... InAs 0.48 P 0.52 channel layer, 8, 38 ... N-type In 0.52 Al 0.48 As electron supply layer, 10 ... n In 0.53 Ga 0.47 As cap layer, 12, 32 ... source electrode, 14, 34 ... drain electrode, 16, 26 ... gate electrode, 18 ... InAs 0.7 P 0.3 channel layer, 20 ... N-type In 0.52 Al 0.48 As electron supply layer, 22 …… InAs 0.51 P 0.49 channel layer, 24 …… In 0.52 Al 0.48 As gate insulating layer, 28 …… n + source region, 30 …… n + drain region, 36 …… In 0.53 Ga 0.47 As channel layer.

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】InP基板と、 前記InP基板上に形成されたアンドープのInAsPチャネル
層と、 前記InAsPチャネル層上に形成されたN型InAlAs電子供
給層と、 前記N型InAlAs電子供給層上に形成されたソース及びド
レイン電極と、 前記ソース及びドレイン電極の間に挟まれた前記N型In
AlAs電子供給層上に形成されたゲート電極とを有し、 前記InAsPチャネル層の厚さは格子不整合によって結晶
に転位が発生する臨界膜厚より薄く、 前記ゲート電極に印加する電圧によって、前記InAsPチ
ャネル層の中に形成される2次元電子ガスの濃度を制御
することを特徴とする半導体装置。
An undoped InAsP channel layer formed on the InP substrate; an N-type InAlAs electron supply layer formed on the InAsP channel layer; and an N-type InAlAs electron supply layer formed on the InP substrate. The formed source and drain electrodes, and the N-type In sandwiched between the source and drain electrodes
A gate electrode formed on the AlAs electron supply layer, wherein the thickness of the InAsP channel layer is smaller than a critical thickness at which dislocation occurs in the crystal due to lattice mismatch, and the voltage applied to the gate electrode is A semiconductor device characterized by controlling the concentration of a two-dimensional electron gas formed in an InAsP channel layer.
【請求項2】請求項1記載の半導体装置において、 前記InAsPチャネル層のPに対するAsの組成xを0.59以
下とすることにより、前記N型InAlAs電子供給層との伝
導帯不連続量を制御して、ノーマリオフ動作を行なうよ
うにしたことを特徴とする半導体装置。
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein a composition x of As with respect to P of said InAsP channel layer is set to 0.59 or less, thereby controlling a conduction band discontinuity with said N-type InAlAs electron supply layer. A normally-off operation.
【請求項3】請求項1記載の半導体装置において、 前記InAsPチャネル層のPに対するAsの組成xを0.59以
上とすることにより、前記N型InAlAs電子供給層との伝
導帯不連続量を制御して、ノーマリオン動作を行なうよ
うにしたことを特徴とする半導体装置。
3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the composition x of As with respect to P in said InAsP channel layer is set to 0.59 or more to control the amount of conduction band discontinuity with said N-type InAlAs electron supply layer. A normally-on operation.
【請求項4】InP基板と、 前記InP基板上に形成されたアンドープのInAsPチャネル
層と、 前記InAsPチャネル層上に形成されたアンドーブのInAlA
sゲート絶縁層と、 前記InAlAsゲート絶縁層上に形成されたゲート電極と、 前記InAlAsゲート絶縁層及び前記InAsPチャネル層の両
側に形成されたソース、ドレイン領域と、 前記ソース、ドレイン領域上にそれぞれ形成されたソー
ス及びドレイン電極とを有し、 前記InAsPチャネル層の厚さは格子不整合によって結晶
に転位が発生する臨界膜厚より薄く、 前記ゲート電極に印加する電圧によって、前記InAsPチ
ャネル層の中に形成される2次元電子ガスの濃度を制御
することを特徴とする半導体装置。
4. An InP substrate, an undoped InAsP channel layer formed on the InP substrate, and an AndAlB InAlA formed on the InAsP channel layer.
s gate insulating layer, a gate electrode formed on the InAlAs gate insulating layer, source and drain regions formed on both sides of the InAlAs gate insulating layer and the InAsP channel layer, and Having a source and drain electrode formed, wherein the thickness of the InAsP channel layer is smaller than a critical thickness at which dislocation occurs in the crystal due to lattice mismatch, and the voltage applied to the gate electrode causes the InAsP channel layer to A semiconductor device wherein the concentration of a two-dimensional electron gas formed therein is controlled.
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JPH04214635A (en) 1992-08-05

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