JP2983663B2 - Epitaxial substrate - Google Patents

Epitaxial substrate

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JP2983663B2 JP3032945A JP3294591A JP2983663B2 JP 2983663 B2 JP2983663 B2 JP 2983663B2 JP 3032945 A JP3032945 A JP 3032945A JP 3294591 A JP3294591 A JP 3294591A JP 2983663 B2 JP2983663 B2 JP 2983663B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、電界効果トランジスタ
に用いて好適なエピタキシャル基板に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an epitaxial substrate suitable for use in a field effect transistor.

【0002】[0002]

【従来の技術】高度情報化社会の発展に伴い、超高速通
信システムが要求されている。この種のシステムを構築
するためには、超高速動作、並びに、低消費電力の半導
体デバイスが必要となる。GaAsをはじめとする化合
物半導体デバイスは、これらの要求を満足するものが多
数あり、化合物半導体を用いた超高速・超高周波素子及
びその集積回路の研究が精力的に行われている。
2. Description of the Related Art With the development of a highly information-oriented society, an ultra-high-speed communication system is required. In order to construct this type of system, a semiconductor device that operates at a very high speed and consumes low power is required. There are many compound semiconductor devices such as GaAs that satisfy these requirements, and ultra-high-speed / ultra-high-frequency devices using compound semiconductors and integrated circuits thereof have been energetically studied.

【0003】GaAsを用いた集積回路(GaAsI
C)の場合、その高性能化のためには、その基本素子と
なる電界効果トランジスタ(FET)の電流駆動能力を
向上させる必要がある。
An integrated circuit using GaAs (GaAsI
In the case of C), in order to improve the performance, it is necessary to improve the current driving capability of a field effect transistor (FET) which is the basic element.

【0004】FETの電流駆動能力を向上させる有力な
手法として、動作層の高濃度薄層化が提案されており、
この手法を用いることにより、相互コンダクタンス(g
m) の向上やサブミクロンゲート電極を備えたFETに
おいて顕著にみられる2次元電界効果(短チャネル効
果)の抑制が期待できる。
As a promising technique for improving the current driving capability of FETs, a high-concentration thinning of an operation layer has been proposed.
By using this technique, the transconductance (g
m ) and suppression of the two-dimensional electric field effect (short channel effect) which is remarkably observed in the FET having the submicron gate electrode.

【0005】高濃度薄層の動作層を作製するに際して
は、イオン注入法が広く用いられているが、一般に注入
エネルギーを低くする必要がある。実際、低エネルギー
且つ高ド−ズの注入で、動作層の高濃度薄層化を実現
し、最大相互コンダクタンスが630mS/mmという
極めて高性能なMESFETが得られたことが報告され
ている(K.Onodera et.al IEEE
Trans.Electron Devices Le
tters vol.9 No.8,1988 P.4
17−P.418参照)。
[0005] When producing a high-concentration thin operating layer, ion implantation is widely used, but generally it is necessary to lower the implantation energy. In fact, it has been reported that an extremely high-performance MESFET having a maximum transconductance of 630 mS / mm has been obtained by realizing high-concentration thinning of the operating layer by low-energy and high-dose implantation (K Onodera et.al IEEE
Trans. Electron Devices Le
ters vol. 9 No. 8, 1988 p. 4
17-P. 418).

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】イオン注入法により動
作層を完成するには、注入されたドナ−ド−パントを熱
処理により活性化する必要があるが、注入エネルギーが
低い場合には、通常、ドナ−ド−パントの活性化率が低
くなる。特に、ドナ−ド−パントの濃度が高い部位での
活性化率が低い。すなわち、ドナ−ド−パントの濃度が
高い部位でキャリアが飽和し、所望のキャリアプロファ
イルを得ることができない。
In order to complete the working layer by the ion implantation method, it is necessary to activate the implanted donor pant by a heat treatment. The activation rate of the donor punt is reduced. In particular, the activation rate at the site where the concentration of the donor punt is high is low. In other words, the carrier is saturated at a portion where the concentration of the donor punt is high, and a desired carrier profile cannot be obtained.

【0007】従って、上記従来技術のMESFETであ
っても、低エネルギー注入を用いて作製されているた
め、上記問題を内包し、その高性能化が制限されてい
る。
[0007] Therefore, even the above-mentioned conventional MESFET is manufactured using low-energy implantation, so that the above-mentioned problem is included and its performance is limited.

【0008】本発明は、上述の事情に鑑みて為されたも
のであり、低エネルギーの注入であっても、所望のキャ
リアプロファイルを得ることができるエピタキシャル基
板を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and has as its object to provide an epitaxial substrate capable of obtaining a desired carrier profile even with low energy implantation.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明は、半導体基板上
に、活性化率が異なる複数の半導体層が積層され、且
つ、前記複数の半導体層にイオン注入が為されている
ピタキシャル基板であって、前記複数の半導体層は、第
1GaAs層、InGaAs層、第2GaAs層が順に
積層された層であり、且つSiがイオン注入されている
ことを特徴とするエピタキシャル基板である。
According to the present invention, there is provided a semiconductor device comprising:
A plurality of semiconductor layers activation rate are different are laminated, and, e ion implantation have been made on the plurality of semiconductor layers
A plurality of semiconductor layers, wherein the plurality of semiconductor layers are
The 1 GaAs layer, the InGaAs layer, and the second GaAs layer are
An epitaxial substrate, which is a stacked layer, wherein Si is ion-implanted .

【0010】[0010]

【作用】エピタキシャル基板の高濃度が要求される部位
に活性化率が高い半導体層を配置し、それ以外の部位に
は活性化率の低い半導体層を配置することにより、所望
のキャリアプロファイルを実現することができる。
A desired carrier profile is achieved by arranging a semiconductor layer having a high activation rate in a portion of the epitaxial substrate where high concentration is required and arranging a semiconductor layer having a low activation rate in other portions. can do.

【0011】例えば、InGaAs層は、GaAs層に
比してSiドナ−の限界濃度が高いこと、すなわち、I
nGaAs層は、GaAs層に比して活性化率が高いこ
とに注目し、GaAs層、InGaAs層、GaAs層
の順に積層して形成し、このらの層にSiをイオン注入
することにより、InGaAs層部分のみの濃度を上げ
ることができる。従って、InGaAs層をキャリア濃
度を高くしたい部位、すなわち、キャリア濃度のピーク
をもってきたい部位に配置することにより、半導体層が
GaAs層単一で形成されている場合に比して高濃度で
薄層の動作層を形成することができる。
For example, the InGaAs layer has a higher critical concentration of Si donor than the GaAs layer,
Focusing on the fact that the nGaAs layer has a higher activation rate than the GaAs layer, the nGaAs layer is formed by laminating a GaAs layer, an InGaAs layer, and a GaAs layer in this order, and SiGaAs is ion-implanted into these layers to form InGaAs. The concentration of only the layer portion can be increased. Therefore, by arranging the InGaAs layer at a portion where the carrier concentration is to be increased, that is, at a portion where the peak of the carrier concentration is to be obtained, the InGaAs layer has a high concentration and a thin layer as compared with the case where the semiconductor layer is formed of a single GaAs layer. Operating layers can be formed.

【0012】[0012]

【実施例】GaAs基板1上に、8000ÅのGaAs
層2、300ÅのInGaAs層3、200ÅのGaA
s層4をこの順で積層し、Siを注入エネルギー 30
keV、ド−ズ量 2×1013cm-2の条件でイオン注
入する。そして、基板全面にSiN膜を形成し、この膜
をキャップとしてキャップアニ−ルを850℃、5秒の
条件で行う。尚、InGaAs層3のIn組成比は、G
aAs層2から表面側にかけて0.15から0に傾斜を
持つ構成とした。
EXAMPLE On a GaAs substrate 1, 8000 DEG GaAs was formed.
Layer 2, 300 In InGaAs layer 3, 200 Ga GaAs
The s layer 4 is stacked in this order, and Si is implanted at an energy of 30.
Ion implantation is performed under the conditions of keV and a dose of 2 × 10 13 cm −2 . Then, an SiN film is formed on the entire surface of the substrate, and cap annealing is performed at 850 ° C. for 5 seconds using this film as a cap. Note that the In composition ratio of the InGaAs layer 3 is G
The configuration was such that the slope was from 0.15 to 0 from the aAs layer 2 to the surface side.

【0013】斯様にして完成したエピタキシャル基板
(A−1:図1)は、図2に示す如くGaAs基板上に
GaAs層を形成し、上記と同一の条件でイオン注入及
びアニ−ルを行って完成するエピタキシャル基板(B−
1)よりもピーク付近のキャリア濃度が増大しているの
が理解できる。つまり、FETにこれらの基板を用いる
ことを想定した場合、エピタキシャル基板(A−1)の
方がエピタキシャル基板(B−1)よりも高濃度薄層の
動作層を備えることになる。
On the epitaxial substrate (A-1: FIG. 1) completed in this way, a GaAs layer is formed on a GaAs substrate as shown in FIG. 2, and ion implantation and annealing are performed under the same conditions as described above. Completed epitaxial substrate (B-
It can be seen that the carrier concentration near the peak is higher than in 1). That is, assuming that these substrates are used for the FET, the epitaxial substrate (A-1) has a thinner active layer than the epitaxial substrate (B-1).

【0014】次に、GaAs基板1上に、8000Åの
GaAs層2、300ÅのInGaAs層3、200Å
のGaAs層4をこの順で積層し、Siを注入エネルギ
ー30keV、ド−ズ量 6×1012cm-2の条件でイ
オン注入する。そして、基板全面にSiN膜を形成し、
この膜をキャップとしてキャップアニ−ルを850℃、
5秒の条件で行って完成するエピタキシャル基板(A−
2)及びGaAs基板1上にGaAs層9を形成し、上
記と同一の条件でイオン注入及びアニ−ルを行って完成
するエピタキシャル基板(B−2)を用いて、セルフア
ライン技術により、0.6μm長のゲート電極5及びこ
のゲート電極5の両側のソース電極6、ドレイン電極7
を備えたGaAsMESFETを作製し、各種評価を行
った。尚、ゲート電極の両側のソース電極及びドレイン
電極下にはコンタクト層8が備えられ、これをイオン注
入により形成し、この条件は、Siを注入エネルギー9
0keV、ド−ズ量4×1013cm-2とした。また、
尚、InGaAs層3のIn組成比は、GaAs層2か
ら表面側にかけて0.15から0に傾斜を持つ構成とし
た。
Next, on the GaAs substrate 1, a GaAs layer 2 of 8000Å, an InGaAs layer 3 of 300Å, 200Å
Are deposited in this order, and Si ions are implanted under the conditions of an implantation energy of 30 keV and a dose of 6 × 10 12 cm −2 . Then, a SiN film is formed on the entire surface of the substrate,
Using this film as a cap, a cap annealing is performed at 850 ° C.
An epitaxial substrate (A-
2) A GaAs layer 9 is formed on the GaAs substrate 1 and ion implantation and annealing are performed under the same conditions as described above. A gate electrode 5 having a length of 6 μm, and a source electrode 6 and a drain electrode 7 on both sides of the gate electrode 5.
A GaAs MESFET provided with was manufactured and various evaluations were made. A contact layer 8 is provided under the source electrode and the drain electrode on both sides of the gate electrode. The contact layer 8 is formed by ion implantation.
0 keV and a dose of 4 × 10 13 cm −2 . Also,
The In composition ratio of the InGaAs layer 3 was inclined from 0.15 to 0 from the GaAs layer 2 to the surface.

【0015】エピタキシャル基板(A−2)を用いて完
成したGaAsMESFET(C:図3)とエピタキシ
ャル基板(B−2:図4)を用いて完成したGaAsM
ESFET(D)の各種特性を計測した。この測定結果
は、下記の如くなった。
A GaAs MESFET (C: FIG. 3) completed using an epitaxial substrate (A-2) and a GaAsM completed using an epitaxial substrate (B-2: FIG. 4)
Various characteristics of ESFET (D) were measured. The measurement results were as follows.

【0016】GaAsMESFET(C)は、 最大相互コンダクタンスgmmax が420mS/mm 最大K値Kmaxが340mS/Vmm しきい値Vth が−0.62V ドレインコンダクタンスgdが28mS/mm 最大遮断周波数fTが38GHz GaAsMESFET(D)は、 最大相互コンダクタンスgmmax が320mS/mm 最大K値Kmaxが260mS/Vmm しきい値Vthが−0.6V ドレインコンダクタンスgdが50mS/mm 最大遮断周波数fTが26GHz 上述のgmmax 、Kmax、Vthをみると、GaAsMES
FET(C)の方が電流駆動能力に優れていることが理
解できる。
[0016] GaAs MESFET (C), the maximum transconductance g mmax is 420 ms / mm maximum K value K max is 340 ms / Vmm threshold V th is -0.62V drain conductance g d is 28 ms / mm maximum cut-off frequency f T Has a maximum mutual conductance g mmax of 320 mS / mm, a maximum K value K max of 260 mS / Vmm, a threshold V th of -0.6 V, a drain conductance g d of 50 mS / mm, and a maximum cutoff frequency f T of 38 GHz GaAs MESFET (D). 26 GHz Looking at g mmax , K max , and V th , the GaAs MES
It can be understood that the FET (C) has more excellent current driving capability.

【0017】また、gdがGaAsMESFET(C)
の方が低いことをみると、InGa As層3/GaA
s層2界面におけるポテンシャル障壁により、所謂短チ
ャネル効果をも低減していることが理解できる。これ
は、本発明の実施例の如く、各半導体層間をヘテロ接合
になるようにしていることにより達成される。
Further, g d is GaAs MESFET (C)
Is lower than that of InGaAs layer 3 / GaAs.
It can be understood that the so-called short channel effect is also reduced by the potential barrier at the interface of the s layer 2. This is achieved by forming a heterojunction between each semiconductor layer as in the embodiment of the present invention.

【0018】尚、上述の実施例では、ヘテロ接合を有す
る基板を用いたが、本発明はホモ接合を有する基板にも
適用可能である。すなわち、上記エピタキシャル基板
(B−2)のGaAs基板1とGaAs層2の間にp-
型のGaAs層を挿入した基板 を用いても、ドナ−ド
−パントの活性化率の違いにより、キャリアプロファイ
ルが急峻化し、gmmaxが向上する。
Although a substrate having a heterojunction is used in the above embodiment, the present invention can be applied to a substrate having a homojunction. That is, p between the GaAs substrate 1 and the GaAs layer 2 of the epitaxial substrate (B-2).
Even when a substrate in which a GaAs layer is inserted is used, the carrier profile is sharpened and g mmax is improved due to the difference in the activation rate of the dopant .

【0019】[0019]

【発明の効果】本発明のエピタキシャル基板は、低エネ
ルギーの注入であっても、所望のキャリアプロファイ
ル、特に、高濃度薄層化された注入層を得ることができ
る。
According to the epitaxial substrate of the present invention, a desired carrier profile, in particular, a highly-concentrated thin injection layer can be obtained even with low-energy injection.

【0020】従って、本発明のエピタキシャル基板を用
いて作製されたFETは、高濃度薄層の動作層を備え、
極めて高性能なものとなる。
Therefore, the FET manufactured using the epitaxial substrate of the present invention has a high-concentration thin operating layer,
Extremely high performance.

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

【図1】本発明の一実施例のエピタキシャル基板の概略
断面図である。
FIG. 1 is a schematic sectional view of an epitaxial substrate according to one embodiment of the present invention.

【図2】基板表面からの距離とキャリア濃度の関係を示
す図である。
FIG. 2 is a diagram showing a relationship between a distance from a substrate surface and a carrier concentration.

【図3】図3はMESFETの概略断面図である。FIG. 3 is a schematic sectional view of a MESFET.

【図4】図4はMESFETの概略断面図である。FIG. 4 is a schematic sectional view of a MESFET.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 GaAs基板 2 GaAs層 3 InGaAs層 4 GaAs層 5 ゲート電極 6 ソース電極 7 ドレイン電極 8 コンタクト層 9 GaAs層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 GaAs substrate 2 GaAs layer 3 InGaAs layer 4 GaAs layer 5 Gate electrode 6 Source electrode 7 Drain electrode 8 Contact layer 9 GaAs layer

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 半導体基板上に、活性化率が異なる複数
の半導体層が積層され、且つ、前記複数の半導体層にイ
オン注入が為されているエピタキシャル基板であって、
前記複数の半導体層は、第1GaAs層、InGaAs
層、第2GaAs層が順に積層された層であり、且つS
iがイオン注入されていることを特徴とするエピタキシ
ャル基板。
To 1. A semiconductor substrate, a plurality of semiconductor layers activation rate are different are laminated, and, an epitaxial substrate where the ion implantation is performed on the plurality of semiconductor layers,
The plurality of semiconductor layers include a first GaAs layer, InGaAs
Layer and a second GaAs layer are sequentially stacked, and
An epitaxial substrate, wherein i is ion-implanted .
【請求項2】 前記InGaAs層は、Inの組成比が
前記第1GaAs層側から表面にかけて大から小に傾斜
を持つ構成であることを特徴とする請求項1記載のエピ
タキシャル基板。
2. The InGaAs layer according to claim 1, wherein the composition ratio of In is
Inclined from large to small from the first GaAs layer side to the surface
2. The epitaxial substrate according to claim 1, wherein
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