JP2773449B2 - 金属絶縁物半導体電界効果トランジスタ - Google Patents

金属絶縁物半導体電界効果トランジスタ

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JP2773449B2
JP2773449B2 JP7782491A JP7782491A JP2773449B2 JP 2773449 B2 JP2773449 B2 JP 2773449B2 JP 7782491 A JP7782491 A JP 7782491A JP 7782491 A JP7782491 A JP 7782491A JP 2773449 B2 JP2773449 B2 JP 2773449B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は金属絶縁物半導体電界効
果トランジスタ(MISFET)、特に化合物半導体表
面に安定した絶縁膜をもつMISFETに関するもので
ある。
【0002】
【従来の技術】一般に、化合物半導体プロセス技術にお
いては、Siにおける熱酸化膜(SiO2 )のような良
質な絶縁膜を形成するのが困難である。従って、GaA
s等の化合物半導体を用いた従来のFETは、全て絶縁
膜を使用しない、ショットキゲートを有するMESFE
T(金属半導体電界効果トランジスタ)である。
【0003】しかし、MESFETは、ショットキ障壁
を使っているためにゲートに印加できる電圧振幅が小さ
い。これに対して、MISFET(金属絶縁物半導体電
界効果トランジスタ)はゲート電極下に絶縁膜があるた
め、論理振幅を大きく取れ、逆方向の耐電圧が大きい等
の利点がある。化合物半導体もMISFETが構成でき
れば、その高速性と相俟ってメリットが大きい。また、
LSI等に幅広く使用されているSiを用いたMOSF
ET(金属酸化物半導体電界効果トランジスタ)との共
存も可能になる。
【0004】そこで、化合物半導体でもSiと熱酸化膜
(SiO2 )のように、その界面において界面準位が極
めて少なく、かつ絶縁膜自身が安定である化合物半導体
と絶縁膜との組合せを化合物半導体にもたらすために、
現在までさまざまな研究がなされてきた。
【0005】例えば、GaAs上に直接SiO2 、Si
x 等の絶縁膜を設けた構造では、MISFETに特徴
的に現れるはずである小数キャリアによる反転層が未だ
得られていないし、GaAs以外のInGaAs、In
AlAsなどにおいても、InPを除いては同様であ
る。InPではMISFETとしての動作に成功したと
いわれているが、はっきりしていない。現在のところ、
使用する化合物半導体を変えただけで、良好なMISF
ETは得られないことがわかっている。
【0006】また、従来使用してきたSiO2 、SiN
x などとは違った絶縁膜との組合せも考えられている。
しかし、これも未だ良好な材料が発見されていない。
【0007】さらに、絶縁膜の代りに、禁制帯幅が広
く、ポテンシャル障壁の高い化合物半導体層を用いよう
とする試みもある。n型GaAs上に薄くアンドープの
AlGaAsを形成した構造がそれである。しかし、こ
れも反転層が形成されたという報告はなく、MESFE
Tのゲート電圧許容幅を若干広げる程度に止まってい
る。
【0008】このように、化合物半導体を用いた良好な
特性をもつMISFETは現時点では得られていない。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】化合物半導体を用いた
MISFETが実現しない理由は、絶縁膜と化合物半導
体との間に生ずる界面準位の密度がSiと比較して1桁
以上も高い点にある。このために、この界面で電位がほ
ぼ固定され、ゲート電圧を高く印加しても反転層を得る
に至らない。従って、化合物半導体を用いたMISFE
Tを作製するためには、この界面準位密度を大幅に低減
する必要がある。
【0010】本発明の目的は、化合物半導体と絶縁膜と
の界面に形成される界面準位を可及的に低減させること
によって、前記した従来技術の欠点を解消して、安定し
た絶縁膜をもつ特性の良好なMISFETを提供するこ
とにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明のMISFET
は、ゲート電極に対するゲート電圧の印加によりチャネ
ル層が形成される化合物半導体表面に、ノンアロイオー
ミック接合の可能な化合物半導体薄膜を形成し、その上
にオーミック接合する金属薄膜を形成し、最後に絶縁膜
を形成してゲート電極を設けるという構造を用いたもの
である。これにより化合物半導体表面と絶縁膜間の界面
準位密度が大幅に低減する。
【0012】化合物半導体としては、GaAs、InG
aAs、InP、AlGaAs、InAlAsなどトラ
ンジスタを製作できる材料であれば、いずれでもよい。
【0013】ノンアロイオーミック接合の可能な化合物
半導体としては、InAs、InSbなどの禁制帯幅の
小さい化合物半導体、またはこれらと他の化合物半導体
との混晶、例えばInGaAs、InGaSbなどであ
る。
【0014】金属薄膜の材料はAuなどが適当である
が、全ての金属、半金属が含まれる。また絶縁膜として
はSiO2 、SiNx などが適当であるが、特にこれら
に限定されるものではない。また、ノンアロイオーミッ
ク接合の可能な化合物半導体薄膜と金属薄膜の各膜厚は
任意であるが、可能な範囲で薄いことが望ましい。
【0015】
【作用】界面準位は、通常、ダングリングボンドと呼ば
れる、界面の原子の結合に寄与しない価電子が作る準位
で、金属・絶縁膜とGaAsとの界面に多く存在し、M
ISFET作製の障害となっている。しかし、InS
b、InAsなどではこの界面準位は少ない。In原子
の性質と関係しているともいわれているが、何故少ない
かはまだよくわかっていない。InSb、InAsは禁
制帯幅が小さく、仮にMISFETを作製しても電子・
正孔の再結合確率が高いため、十分なキャリア濃度の反
転層が得られない。既述したように、InPで辛うじて
動作しているようである。
【0016】InAs、InSb単体ではMISFET
とならなくても、本発明ではInAsとGaAs、およ
びInSb,GaSbとGaAsをそれぞれ組合せるこ
とで、MISFETの作製に成功したものである。In
AsないしInGaAsとGaAs、またはInSbな
いしInGaSbとGaAsは共に同じIII −V族化合
物半導体であり、その界面にダングリングボンドはなく
界面準位は存在しない。
【0017】また、InAsやInSbと金属との界面
にもInAsやInSbの物性として界面準位は少な
い。このように金属との間に界面準位を作らない半導体
は、そこに界面準位に伴うエネルギ障壁(ショットキバ
リア)がないか、または非常に小さく、アロイなしでオ
ーミック電極を形成できる。熱処理を施さないアロイな
しのオーミック電極の形成は、表面モホロジの点などか
ら特に半導体デバイスプロセス上望ましいことである。
以上がInAs、InSbなどがノンアロイオーミック
接合に適している理由である。
【0018】さらに、金属薄膜とSiO2 、SiNx
の間に界面準位はない。
【0019】このように、GaAs/InAs(InS
b)/金属(Au)/SiO2 (SiNx )とすると、
InAs・金属間の少ない界面準位だけですみ、化合物
半導体表面と絶縁膜との界面準位密度を大幅に低減する
ことが可能となる。
【0020】ところで、MISFETが可能で、しかも
ノンアロイオーミック接合の可能なInGaAs、In
GaSbの混晶比は、必ずしも明確に把握できているわ
けではない。しかし、In組成で0.3で行なった実験
で成功していることから、混晶比は0.3以上であるこ
とを要する。
【0021】また、化合物半導体薄膜と絶縁膜との間に
介在させた金属薄膜は、これがなくてもMISFETと
なり得るが、金属薄膜を介在させないと時に比べて、界
面準位が増加し、絶縁膜自身も不安定となって特性が悪
化することから、金属薄膜は必須である。
【0022】さらに、InGaAs、InGaSbとい
えども化合物半導体薄膜は反転層を形成したときに、電
子・正孔の再結合を起こしやすく、チャネル層としては
適当ではない。従って、出来る限り薄い方が好ましい。
チャネル層の形成される化合物半導体表面に薄膜を形成
する所以である。膜厚は5〜20Åならば問題はないと
考えられる。同様に金属薄膜も出来る限り薄くした方が
よく、上限は20Å位であり、1原子層(3Å程度)〜
3原子層(10Å程度)がよいと考えられる。
【0023】
【実施例】以下、本発明の実施例を図1〜図2を用いて
説明する。
【0024】図1は本実施例のMISFET構造の断面
を示す。半絶縁性GaAs基板1上にn型GaAs層2
を形成し、その上にキャリア密度5×1018cm-3以上
のSiをドープしたn型InGaAs層3を厚さ約10
〜20Å形成する。さらにAu薄膜5を20Å形成した
後、SiO2 膜6を1000Å形成する。このウェハに
対し、ゲート電極8、ソース電極7、ドレイン電極9を
設ける。ソース・ゲート間、ゲート・ドレイン間、及び
ソース電極7下、ドレイン電極9下は、金属薄膜5及び
絶縁膜6を除去し、かつイオン打込みによりキャリア密
度5×1018cm-3以上のp+ 型層4とした。
【0025】このMISFETについて、容量−電圧特
性を調べたところ図2のような結果が得られた。高周波
特性において、ゲート下にp反転層が形成されているこ
とが分かる。なお、低周波では反転層を形成すべき小数
キャリアが再結合によって失われるため反転層は観測さ
れない。
【0026】以上述べたように本実施例は、GaAs表
面に形成されるべきチャネル層上に、ノンアロイオーミ
ック接合の可能なInGaAsの薄膜を形成し、その上
にオーミック接続するAu薄膜を形成し、最後にSiO
2 を形成するという構造を用いたものである。従って、
GaAsチャネル層と絶縁膜間の界面準位密度を大幅に
低減でき、特性の良好なMISFETを作製出来る。そ
の結果、ゲート電極振幅を広く取れることから、回路を
設計する場合にも、かなり余裕をもった電圧設定が可能
となる。また、ゲート耐圧がMESFETよりはるかに
高く、高周波向けの高出力トランジスタが製作可能とな
る。さらに、トランジスタの電流駆動能力が向上し、S
iを用いたMOSFETとの共存も可能になる。
【0027】なお、上記実施例ではGaAsについて述
べたが、本発明はこれに限定されるものではなく、Ga
As以外の化合物半導体、InP、InGaAs、In
AlAs、AlGaAsでも可能である。また、ノンア
ロイオーミック接合可能な化合物半導体として、InG
aAsが最も有効と考えるが、他の半導体InAs、I
nSb、InGaSbでも可能である。使用する金属薄
膜は、Auの他、Alなどでもよい。またAuGe等の
合金でもよい。絶縁膜は、SiO2 、SiNx などが適
当である。
【0028】
【発明の効果】本発明によれば化合物半導体と絶縁膜と
の界面に形成される界面準位を大幅に低減できるので、
安定した絶縁膜をもつ特性の良好なMISFETが得ら
れる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施例のMISFETの実施例を示す断面構
造図。
【図2】本実施例のMISFETの容量−電圧特性図。
【符号の説明】
1 半絶縁性GaAs基板 2 n型GaAs層 3 n型InGaAs薄膜 4 p+ 型層 5 Au薄膜 6 SiO2 7 ソース電極 8 ゲート電極 9 ドレイン電極

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ゲート電圧をゲート電極より絶縁膜を介し
    て加えることによって化合物半導体表面にチャネル層を
    形成する金属絶縁物半導体電界効果トランジスタおい
    て、前記チャネル層の形成される化合物半導体表面にノ
    ンアロイでオーミック接合の可能な化合物半導体薄膜を
    形成し、この化合物半導体薄膜上にオーミック接合する
    金属薄膜を形成し、さらにこの金属薄膜上に絶縁膜を形
    成し、この絶縁膜にゲート電極を設けたことを特徴とす
    る金属絶縁物半導体電界効果トランジスタ。
  2. 【請求項2】前記化合物半導体がGaAsで構成され、
    その表面に形成される化合物半導体薄膜がInGaAs
    で構成されていることを特徴とする請求項1に記載の金
    属絶縁物半導体電界効果トランジスタ。
JP7782491A 1991-04-10 1991-04-10 金属絶縁物半導体電界効果トランジスタ Expired - Lifetime JP2773449B2 (ja)

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US8288798B2 (en) * 2010-02-10 2012-10-16 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Step doping in extensions of III-V family semiconductor devices

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