JP3054216B2 - Semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device

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JP3054216B2
JP3054216B2 JP3065817A JP6581791A JP3054216B2 JP 3054216 B2 JP3054216 B2 JP 3054216B2 JP 3065817 A JP3065817 A JP 3065817A JP 6581791 A JP6581791 A JP 6581791A JP 3054216 B2 JP3054216 B2 JP 3054216B2
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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】この発明は、ヘテロ接合を有し2
次元電子ガスをチャネルとして動作する半導体装置に関
するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention
The present invention relates to a semiconductor device that operates using a two-dimensional electron gas as a channel.

【0002】[0002]

【従来の技術】AlGaAs/GaAs、AlGaAs
/InGaAs等のヘテロ接合界面のGaAs側、In
GaAs側に生じる2次元電子ガスをチャネルとして動
作する半導体装置は、HEMT(High Elect
ron Mobility Transistor)と
称され良く知られている。このHEMTは、構造上、通
常HEMTと逆構造HEMTとに分類出来る。両者は、
ゲート電極、チャネル層及びキャリア供給層の位置関係
で区分け出来る。通常HEMTではゲート電極側からキ
ャリア供給層、チャネル層の順にこれら層が配設されて
いる。逆構造HEMTではゲート電極側からチャネル
層、キャリア供給層の順にこれら層が配設されている。
2. Description of the Related Art AlGaAs / GaAs, AlGaAs
/ GaAs side of heterojunction interface such as InGaAs, In
A semiconductor device that operates using a two-dimensional electron gas generated on the GaAs side as a channel is a HEMT (High Elect).
ron Mobility Transistor). This HEMT can be classified into a normal HEMT and an inverted HEMT in structure. Both are
It can be classified according to the positional relationship between the gate electrode, the channel layer, and the carrier supply layer. Usually, in a HEMT, these layers are arranged in the order of a carrier supply layer and a channel layer from the gate electrode side. In the inverted-structure HEMT, these layers are arranged in the order of a channel layer and a carrier supply layer from the gate electrode side.

【0003】逆構造HEMTは通常HEMTに比べて2
次元電子ガスがキャリア供給層によるヘテロ障壁で閉じ
込められており2次元電子ガスの閉じ込め効果が大き
い。したがって、ゲート長を0.25μm以下に縮少し
てもピンチオフ特性は損なわれず、また、ショートチャ
ネル効果に起因するトランスコンダクタンスの減少、ド
レインコンダクタンスの増加も起りにくい。このため、
高速論理用素子としてより好適とされている。
[0003] Inverse structure HEMTs are usually two times more expensive than HEMTs.
The two-dimensional electron gas is confined by the hetero barrier by the carrier supply layer, and the effect of confining the two-dimensional electron gas is large. Therefore, even if the gate length is reduced to 0.25 μm or less, the pinch-off characteristics are not impaired, and a decrease in transconductance and an increase in drain conductance due to the short channel effect hardly occur. For this reason,
It is more suitable as a high-speed logic element.

【0004】このような逆構造HEMTは、例えばこの
出願の出願人に係る文献1(ジャパニーズ ジャーナル
オブ アプライド フィジックス(JAPANESE
JOURNAL OF APPLIED PHYSI
CS)Vol.27,No.9(1988.9),L1
742)、同文献2(アイ イー イー イー トラン
ザクションズ オン エレクトロン デバイセズ(IE
EE TRANSACTIONS ON ELECTR
ON DEVICES),VOL.36,No.10,
(10.1989),p.2191)に開示されてい
る。図3は文献2より引用した断面図である。
[0004] Such an inverted-structure HEMT is disclosed, for example, in Japanese Patent Application Laid-Open Publication No. 2001-209,973 (Japanese Journal of Applied Physics).
JOURNAL OF APPLIED PHYSI
CS) Vol. 27, no. 9 (19888.9), L1
742) and Reference 2 (IEE Transactions on Electron Devices (IE)
EE TRANSACTIONS ON ELECTR
ON DEVICES), VOL. 36, no. 10,
(10.1989), p. 2191). FIG. 3 is a cross-sectional view cited from Document 2.

【0005】この逆構造HEMTは、半絶縁性GaAs
基板11上にアンドープGaAs層13及びアンドープ
AlGaAs15から成るバッファ層17を具え、さら
にこのバッファ層17上にn型AlGaAsキャリア供
給層19、アンドープAlGaAsスペーサ層21、ア
ンドープGaAsチャネル層23、n型GaAsキャッ
プ層25及びn+型GaAsオーミック層27をこの順
に具え、さらにオーミック層27表面からキャップ層2
5に至るまで形成されたリセス29内にゲート電極31
を、オーミック層27の、ゲート電極31両側部分上に
ソース・ドレイン電極33を具えて成っていた。
This inverted structure HEMT is made of semi-insulating GaAs.
A buffer layer 17 comprising an undoped GaAs layer 13 and an undoped AlGaAs 15 is provided on a substrate 11, and an n-type AlGaAs carrier supply layer 19, an undoped AlGaAs spacer layer 21, an undoped GaAs channel layer 23, and an n-type GaAs cap are formed on the buffer layer 17. A layer 25 and an n + -type GaAs ohmic layer 27 in this order.
The gate electrode 31 is formed in the recess 29 formed up to 5.
The source / drain electrodes 33 are provided on both sides of the gate electrode 31 of the ohmic layer 27.

【0006】この逆構造HEMTの構造を決定する重要
な要素は各層の厚さである。チャネルを構成する2次元
電子を誘起させるために必要なn型AlGaAsキャリ
ア供給層19、アンドープAlGaAs層21、アンド
ープGaAsチャネル層23及びn型GaAsキャップ
層25の各膜厚とドーピング量はもちろん重要である
が、この逆構造HEMTを確実に動作させるためには、
バッファ層17を構成しているアンドープGaAs層1
3及びアンドープAlGaAs層15各々の膜厚も重要
になる。
An important factor that determines the structure of the inverted HEMT is the thickness of each layer. The thicknesses and doping amounts of the n-type AlGaAs carrier supply layer 19, the undoped AlGaAs layer 21, the undoped GaAs channel layer 23, and the n-type GaAs cap layer 25 necessary for inducing the two-dimensional electrons constituting the channel are of course important. However, in order to operate this inverted structure HEMT reliably,
Undoped GaAs layer 1 constituting buffer layer 17
The thickness of each of the third and undoped AlGaAs layers 15 also becomes important.

【0007】文献1、2では、これらアンドープGaA
s層13及びアンドープAlGaAs層15の各膜厚は
100nmとされている。また、AlGaAsキャリア
供給層19、アンドープAlGaAs層21、アンドー
プGaAsチャネル層23、n型GaAsキャップ層2
5及びn+型GaAsオーミック層27の各膜は、キャ
リア供給層19側から、8nm,4nm,20nm,5
0nm,50nmとされている。このような膜厚とした
場合の逆構造HEMTのゲート電極下の部分のエネルギ
ーバンド図は伝導帯側について示すと図4(A)のよう
になる。図4(A)中、EFはフェルミレベルを示す。
また、11〜25の番号は図3中の各半導体層の番号に
対応するものである。この構成の逆構造HEMTでは、
2次元電子ガスは、n型キャリア供給層19とアンドー
プGaAsチャネル層23との界面、実際はスペーサ層
21があるのでスペーサ層21とアンドープGaAsチ
ャネル層23との界面のアンドープGaAs層23側
(図4中Pで示す部分)に存在する。
In References 1 and 2, these undoped GaAs
Each film thickness of the s layer 13 and the undoped AlGaAs layer 15 is set to 100 nm. Also, an AlGaAs carrier supply layer 19, an undoped AlGaAs layer 21, an undoped GaAs channel layer 23, an n-type GaAs cap layer 2
5 and n + -type GaAs ohmic layers 27 are 8 nm, 4 nm, 20 nm, 5 nm from the carrier supply layer 19 side.
0 nm and 50 nm. FIG. 4A shows an energy band diagram of a portion under the gate electrode of the inverted structure HEMT having such a film thickness on the conduction band side. 4 in (A), E F denotes a Fermi level.
The numbers 11 to 25 correspond to the numbers of the respective semiconductor layers in FIG. In the inverted structure HEMT of this configuration,
The two-dimensional electron gas is supplied to the interface between the n-type carrier supply layer 19 and the undoped GaAs channel layer 23, in fact, since the spacer layer 21 exists, the interface between the spacer layer 21 and the undoped GaAs channel layer 23 is closer to the undoped GaAs layer 23 (FIG. 4). (Part shown by middle P).

【0008】アンドープGaAs層13及びアンドープ
AlGaAs層15の各膜厚が100nmとされていた
理由は、この逆構造のHEMTの構成でアンドープGa
As層13及びアンドープAlGaAs層15膜厚をこ
れ以上厚くすると、これら層の界面に電子が誘起されて
しまうのでこれを防止するためであった。これら層1
3、15の膜厚を厚くした場合の問題を以下に説明す
る。
The reason that the thickness of each of the undoped GaAs layer 13 and the undoped AlGaAs layer 15 is set to 100 nm is that the HEMT having the reverse structure has an undoped GaAs layer.
If the thicknesses of the As layer 13 and the undoped AlGaAs layer 15 are further increased, electrons are induced at the interface between these layers, so that this is prevented. These layers 1
The problem in the case where the film thicknesses 3 and 15 are increased will be described below.

【0009】この逆構造HEMTでは、GaAs基板1
1とアンドープGaAs層13との界面での伝導帯エネ
ルギーの下端はアンドープGaAs層13の成長開始時
に発生する禁制帯内の不純物準位により固定されると考
えられる。また、フェルミレベルは、上記GaAs基板
11とアンドープGaAs層13との界面での伝導帯エ
ネルギーの下端より約0.7eV低いレベルに固定され
ると考えられる。
In this inverted HEMT, the GaAs substrate 1
It is considered that the lower end of the conduction band energy at the interface between 1 and the undoped GaAs layer 13 is fixed by the impurity level in the forbidden band generated when the growth of the undoped GaAs layer 13 starts. Further, it is considered that the Fermi level is fixed to a level lower than the lower end of the conduction band energy at the interface between the GaAs substrate 11 and the undoped GaAs layer 13 by about 0.7 eV.

【0010】このような状態で、バッファ層17を構成
しているアンドープGaAs層13及びアンドープAl
GaAs層15のうちのアンドープGaAs層13の膜
厚のみを厚くした場合の逆構造HEMTのエネルギーバ
ンド図は、図4(B)のようになる。したがって、アン
ドープGaAs層13と、アンドープAlGaAs層1
5との界面でも伝導帯エネルギーの下端がフェルミレベ
ルより低くなりここにも電子が誘起されてしまう(図4
(B)中Qで示す。)。
In such a state, the undoped GaAs layer 13 and the undoped Al
FIG. 4B shows an energy band diagram of the inverted HEMT when only the thickness of the undoped GaAs layer 13 of the GaAs layer 15 is increased. Therefore, the undoped GaAs layer 13 and the undoped AlGaAs layer 1
At the interface with 5, the lower end of the conduction band energy is lower than the Fermi level, and electrons are induced here (FIG. 4).
(B) Indicated by Q in the middle. ).

【0011】また、アンドープGaAs層13とアンド
ープAlGaAs層15の各膜厚の比を図4(A)のと
きと同じにしたまま各膜厚を厚くした場合の逆構造HE
MTのエネルギーバンド図は、理想的には図4(C)の
ようになる。この場合は、アンドープGaAs層13
と、アンドープAlGaAs層15との界面の伝導帯エ
ネルギーの下端はフェルミレベルより上になるのでここ
に電子が誘起されることはなくなる。しかし、AlGa
As層を結晶成長法で成長させる場合膜質制御が難しい
ことが知られている。Alが不純物を取込み易いためと
思われる。そして、特にこの例のようにAlGaAs層
15の膜厚を厚くした場合不純物の影響が顕著になる。
つまり、アンドープであるはずのAlGaAs層15が
p型又はn型層としてふるまうことが起き、逆構造HE
MTの実際のエネルギーバンド図は図4(C)のように
はならない。図4(C)のエネルギーバンド図は層15
がアンドープAlGaAs層と考えて計算したものであ
るため層15に該当する部分は直線になっているが、実
際にはこうならない。
In addition, the inverted structure HE in which the thicknesses of the undoped GaAs layer 13 and the undoped AlGaAs layer 15 are increased while maintaining the same thickness ratio as in FIG.
The energy band diagram of MT is ideally as shown in FIG. In this case, the undoped GaAs layer 13
Then, the lower end of the conduction band energy at the interface with the undoped AlGaAs layer 15 is higher than the Fermi level, so that electrons are not induced here. However, AlGa
It is known that film quality control is difficult when growing an As layer by a crystal growth method. This is probably because Al easily takes in impurities. In particular, when the thickness of the AlGaAs layer 15 is increased as in this example, the influence of impurities becomes significant.
In other words, the undoped AlGaAs layer 15 acts as a p-type or n-type layer, and the reverse structure HE
The actual energy band diagram of the MT is not as shown in FIG. The energy band diagram of FIG.
Is calculated assuming that it is an undoped AlGaAs layer, the portion corresponding to the layer 15 is a straight line, but this is not the case in practice.

【0012】例えば、AlGaAs層15がn型に1*
1016/cm3程度ドーピングされていると、このAl
GaAs層の膜厚を300nm以上にした場合GaAs
層13とAlGaAs層15との界面の伝導帯エネルギ
ーの下端がフェルミレベルより低くなりこの部分にも電
子が誘起されてしまう(図示せず。)。
For example, when the AlGaAs layer 15 has an n-type 1 *
When about 10 16 / cm 3 is doped, this Al
When the thickness of the GaAs layer is 300 nm or more, GaAs
The lower end of the conduction band energy at the interface between the layer 13 and the AlGaAs layer 15 becomes lower than the Fermi level, and electrons are also induced in this portion (not shown).

【0013】以上の理由により、バッファ層17を構成
するアンドープGaAs層13及びアンドープAlGa
As層15各々の膜厚は最大でも100nm程度として
いた。
For the above reasons, the undoped GaAs layer 13 and the undoped AlGa
The thickness of each of the As layers 15 was about 100 nm at the maximum.

【0014】[0014]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図3を
用いて説明した構成の逆構造HEMTは、バッファ層の
膜厚を上述のような理由からあまり厚くすることが出来
ないため、サイドゲート効果に起因するサイドゲート耐
圧を向上させる点では不利な構造であった。その理由は
次の通りである。
However, the inverted structure HEMT having the structure described with reference to FIG. 3 cannot reduce the thickness of the buffer layer so much because of the above-described reasons. The structure is disadvantageous in that the resulting side gate breakdown voltage is improved. The reason is as follows.

【0015】サイドゲート効果とは、逆構造HEMTに
隣接させて設けた電極に負の電圧を印加してゆくとある
電圧(この電圧を「サイドゲート耐圧」という。)でチ
ャネルの電流が急に減少する現象をいう。半導体集積回
路の高集積化を図るためにはこのサイドゲート耐圧が高
いほど良い。サイドゲート効果が生じる原因は、上記文
献2に示されているように、GaAs基板11とこの基
板上に成長させた半導体層(図3の構成の場合はGaA
sバッファ層13)との界面で、上記隣接電極の負の電
圧によりホール電荷が不純物準位を介して移動すること
が起りこの移動がチャネルを構成している2次元電子に
影響するためである。したがって、サイドゲート耐圧を
向上させるためにはバッファ層を厚くして2次元電子と
基板との距離を大きくすれば良いと考えられるが、上述
の理由からバッファ層を厚く出来ないからであった。
The side gate effect means that when a negative voltage is applied to an electrode provided adjacent to an inverted structure HEMT, a current of a channel suddenly increases at a certain voltage (this voltage is referred to as “side gate breakdown voltage”). A phenomenon that decreases. In order to achieve high integration of a semiconductor integrated circuit, the higher the side gate breakdown voltage, the better. The cause of the side gate effect is, as described in the above-mentioned document 2, a GaAs substrate 11 and a semiconductor layer grown on this substrate (in the case of the configuration of FIG.
At the interface with the s-buffer layer 13), the hole charge moves via the impurity level due to the negative voltage of the adjacent electrode, and this movement affects the two-dimensional electrons forming the channel. . Therefore, in order to improve the side gate breakdown voltage, it is considered that the buffer layer should be thickened to increase the distance between the two-dimensional electron and the substrate. However, the buffer layer cannot be thickened for the above-described reason.

【0016】この発明はこのような点に鑑みなされたも
のであり、従ってこの発明の目的はバッファ層の構成層
の一つとしてAlGaAs層を有する逆構造HEMT半
導体装置であってこのAlGaAsバッファ層の膜厚を
最大でも100nm程度としたままサイドゲート耐圧の
向上が図れる半導体装置を提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide an inverted HEMT semiconductor device having an AlGaAs layer as one of the constituent layers of the buffer layer. An object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of improving the side gate breakdown voltage while keeping the film thickness at about 100 nm at the maximum.

【0017】[0017]

【課題を解決するための手段】この目的の達成を図るた
め、この発明によれば、GaAs基板上に、基板側から
GaAs層及びAlGaAs層をこの順に有するバッフ
ァ層を具え、このバッファ層上にn型AlGaAsキャ
リア供給層を具え、このキャリア供給層上側にこのキャ
リア供給層と格子整合する半導体層から成りこのキャリ
ア供給層より誘起された電子をチャネルとするチャネル
層を具え、このチャネル層の上側にゲート電極、このゲ
ート電極の両側にソース・ドレイン電極を具えて成る半
導体装置において、バッファ層のGaAs層内にこのG
aAs層と格子整合するp型の半導体層であってこの半
導体層に伝導を生じない程度の厚さ及び濃度のp型の半
導体層を少なくとも一層有したことを特徴とする。
According to the present invention, a buffer layer having a GaAs layer and an AlGaAs layer in this order from the substrate side is provided on a GaAs substrate. an n-type AlGaAs carrier supply layer, a channel layer comprising a semiconductor layer lattice-matched to the carrier supply layer and having a channel formed by electrons induced from the carrier supply layer, above the carrier supply layer; In a semiconductor device having a gate electrode and source / drain electrodes on both sides of the gate electrode, the G layer is formed in a GaAs layer of a buffer layer.
The semiconductor device is characterized by having at least one p-type semiconductor layer lattice-matched to the aAs layer and having a thickness and a concentration that do not cause conduction in the semiconductor layer.

【0018】なお、この発明の実施に当たりこのp型半
導体層を有した状態での前述のGaAs層の厚さを最小
でも0.3μmとするのが好適である。
In practicing the present invention, it is preferable that the thickness of the GaAs layer having the p-type semiconductor layer be at least 0.3 μm.

【0019】[0019]

【作用】この発明の構成によれば、GaAsバッファ層
内にp型の半導体層であってこの半導体層に伝導を生じ
ない程度の厚さ及び濃度のp型の半導体層を設けたの
で、このp型半導体層より下側のバッファ層部分の膜厚
を変化させてもこのp型半導体層より上側の半導体装置
部分のエネルギーバンド図の変化がこのp型半導体層を
設けない場合より小さくなる。さらに、p型半導体層よ
り下側のGaAsバッファ層部分の電位は基板の電位に
近くなる。このことは、チャネル層以外に電子を誘起す
ることなくp型半導体層より下側のGaAsバッファ層
部分の膜厚を厚く出来ることを意味する。このため、G
aAs層の膜厚を、GaAs基板とGaAsバッファ層
との界面でのホール電荷の移動が2次元電子ガスに影響
する程度を低減出来る程度に厚く少なくとも0.3μm
の膜厚にできる。
According to the structure of the present invention, a p-type semiconductor layer which is a p-type semiconductor layer and has such a thickness and concentration that does not cause conduction in the semiconductor layer is provided in the GaAs buffer layer. Even if the thickness of the buffer layer portion below the p-type semiconductor layer is changed, the change in the energy band diagram of the semiconductor device portion above the p-type semiconductor layer becomes smaller than when the p-type semiconductor layer is not provided. Further, the potential of the GaAs buffer layer below the p-type semiconductor layer becomes closer to the potential of the substrate. This means that the thickness of the GaAs buffer layer below the p-type semiconductor layer can be increased without inducing electrons other than in the channel layer. Therefore, G
The thickness of the aAs layer should be at least 0.3 μm thick enough to reduce the effect of the transfer of hole charges at the interface between the GaAs substrate and the GaAs buffer layer on the two-dimensional electron gas.
Film thickness.

【0020】[0020]

【実施例】以下、図面を参照してこの発明の半導体装置
の実施例について説明する。しかしながら、説明に用い
る各図はこの発明を理解出来る程度に概略的に示してあ
るにすぎない。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. However, the drawings used in the description are merely schematic views so that the present invention can be understood.

【0021】図1は実施例の半導体装置の構造を概略的
に示した断面図である。
FIG. 1 is a sectional view schematically showing the structure of the semiconductor device of the embodiment.

【0022】この半導体装置は、半絶縁性GaAs基板
41(以下、「GaAs基板41」または「基板41」
と略称することもある。)上に、バッファ層43を具え
る。このバッファ層43は、この実施例の場合、基板4
1側から順に積層した膜厚200nmの第1のアンドー
プGaAs層45a、該GaAs層45aと格子整合す
るp型の半導体層であって該半導体層に伝導を生じない
程度の厚さ及び濃度のp型の半導体層45b及び膜厚1
00nmの第2のアンドープGaAs層45cから成る
GaAsバッファ層45と、このGaAsバッファ層4
5上に積層した膜厚100nmのアンドープAlGaA
s層バッファ層47とで構成してある。上記p型半導体
層45bは、この実施例の場合、膜厚が5nmでp型不
純物のドーピング量が4*1017/cm3 のp型GaA
s層で構成してある。
This semiconductor device has a semi-insulating GaAs substrate 41 (hereinafter referred to as "GaAs substrate 41" or "substrate 41").
May be abbreviated. ), A buffer layer 43 is provided thereon. This buffer layer 43 is formed of the substrate 4 in this embodiment.
A first undoped GaAs layer 45a having a thickness of 200 nm and a p-type semiconductor layer lattice-matched to the GaAs layer 45a and having a thickness and concentration such that conduction does not occur in the semiconductor layer; Type semiconductor layer 45b and film thickness 1
A GaAs buffer layer 45 composed of a second undoped GaAs layer 45c having a thickness of 00 nm;
100 nm thick undoped AlGaAs laminated on
An s-layer buffer layer 47 is provided. In this embodiment, the p-type semiconductor layer 45b has a thickness of 5 nm and a p-type impurity doping amount of 4 * 10 17 / cm 3.
It is composed of an s layer.

【0023】さらにこの半導体装置はアンドープAlG
aAsバッファ層47上に、n型AlGaAsキャリア
供給層49、アンドープAlGaAsスペーサ層51、
アンドープGaAsチャネル層53、n型GaAsキャ
ップ層55及びn+ 型GaAsオーミック層57をこの
順に具え、さらにオーミック層57表面からキャップ層
55に至るまで形成されたリセス59内にゲート電極6
1を、オーミック層57の、ゲート電極61両側部分上
にソース・ドレイン電極63を具えて成っている。
Further, the semiconductor device is an undoped AlG
On the aAs buffer layer 47, an n-type AlGaAs carrier supply layer 49, an undoped AlGaAs spacer layer 51,
An undoped GaAs channel layer 53, an n-type GaAs cap layer 55, and an n + -type GaAs ohmic layer 57 are provided in this order, and a gate electrode 6 is formed in a recess 59 formed from the surface of the ohmic layer 57 to the cap layer 55.
1 includes a source / drain electrode 63 on both sides of the gate electrode 61 of the ohmic layer 57.

【0024】n型AlGaAsキャリア供給層49、ア
ンドープAlGaAsスペーサ層51、アンドープGa
Asチャネル層53、n型GaAsキャップ層55及び
+型GaAsオーミック層57各々の膜厚及び不純物
濃度は文献1,2の場合と同じにしてある。
N-type AlGaAs carrier supply layer 49, undoped AlGaAs spacer layer 51, undoped Ga
The thickness and the impurity concentration of each of the As channel layer 53, the n-type GaAs cap layer 55, and the n + -type GaAs ohmic layer 57 are the same as those in References 1 and 2.

【0025】このような構成の実施例の半導体装置のG
aAsバッファ層45内のp型GaAs層45bでは、
ホールは発生しない。このため、このp型GaAs層4
5b内にはp型不純物の負電荷のみが存在する。そし
て、このp型GaAs層45bの伝導帯エネルギー下端
の位置がこの負電荷により決まる。特に、p型GaAs
層45bの膜厚、不純物濃度およびGaAsバッファ層
45内での位置が上述のような設定の場合、このp型G
aAs層45bの伝導帯エネルギーの下端の位置はGa
As基板41のそれと同じになる。p型GaAs層45
bの伝導帯エネルギーの下端の位置がGaAs基板41
のそれと同じ場合、GaAsバッファ層45の第1のア
ンドープGaAs層45aの厚さを変化させてもp型G
aAs層45bより上側の半導体装置部分のエネルギー
バンド構造は変わらなくなる。このため、バッファ層よ
り上のエネルギバンド構造を変化させることなく第1の
アンドープGaAs45aの膜厚を従来より厚く出来
る。図2はこの様子を伝導帯側のみについて示したもの
である。図2において、EF はフェルミレベルであり、
41〜55の番号は図1中の各半導体層の番号に対応す
るものである。
The G of the semiconductor device of the embodiment having such a configuration is
In the p-type GaAs layer 45b in the aAs buffer layer 45,
No holes occur. Therefore, the p-type GaAs layer 4
Only negative charges of p-type impurities exist in 5b. The position of the lower end of the conduction band energy of the p-type GaAs layer 45b is determined by the negative charge. In particular, p-type GaAs
When the thickness of the layer 45b, the impurity concentration, and the position in the GaAs buffer layer 45 are set as described above, the p-type G
The position of the lower end of the conduction band energy of the aAs layer 45b is Ga
It is the same as that of the As substrate 41. p-type GaAs layer 45
The position of the lower end of the conduction band energy of the GaAs substrate 41
Is the same as that of the GaAs buffer layer 45, even if the thickness of the first undoped GaAs layer 45a is changed,
The energy band structure of the semiconductor device portion above the aAs layer 45b does not change. Therefore, the thickness of the first undoped GaAs 45a can be made larger than before without changing the energy band structure above the buffer layer. FIG. 2 shows this state only on the conduction band side. In FIG. 2, E F is the Fermi level,
The numbers 41 to 55 correspond to the numbers of the respective semiconductor layers in FIG.

【0026】なお、p型GaAs層45bは上述の厚さ
及び濃度のものに限られない。しかし、この層45bは
この層で伝導を生じる程度に厚いもの或は不純物濃度の
ものとすると、この層の価電子帯エネルギーの上端EV
がフェルミレベルEFより高くなりこの層内にホールが
発生しこれが原因で半導体装置の特性劣化を引き起す。
一方、あまり薄いとこの層の作用が得られずこの層が存
在しないと同様になり、半導体装置のエネルギーバンド
図は図4(B)のようになりGaAsバッファ層45と
AlGaAsバッファ層47との界面に電子が誘起され
やはり半導体装置の特性劣化を引き起す。このため、G
aAsバッファ層45内に設けるp型GaAs層45b
の厚さ及び濃度は、これらの点を考慮して決定する。
The p-type GaAs layer 45b is not limited to the above-described thickness and concentration. However, assuming that the layer 45b is thick enough to cause conduction in this layer or has an impurity concentration, the upper end E V of the valence band energy of this layer is increased.
There cause deterioration of the characteristics of the hole occurs in this layer is higher than the Fermi level E F This semiconductor device due.
On the other hand, if the layer is too thin, the effect of this layer cannot be obtained and the same effect will be obtained if this layer does not exist. The energy band diagram of the semiconductor device is as shown in FIG. 4B, and the energy band diagram of the GaAs buffer layer 45 and the AlGaAs buffer layer 47 is different. Electrons are induced at the interface, which also causes the characteristic degradation of the semiconductor device. Therefore, G
p-type GaAs layer 45b provided in aAs buffer layer 45
Is determined in consideration of these points.

【0027】この実施例の半導体装置では従来の半導体
装置(図3のもの)に比べGaAsバッファ層45の膜
厚が第1のアンドープGaAs層45aを設けた分厚く
なるので、GaAs基板とチャネル層23との距離が従
来より広くなる。これは、隣接する素子に印加される電
圧の影響でGaAs基板41とGaAsバッファ層45
との界面をホール電荷が移動してもこの移動の影響がチ
ャネル層23の2次元電子に影響する度合が従来より低
減出来ることを意味する。このため、サイドゲート耐圧
が従来より向上する。
In the semiconductor device of this embodiment, the thickness of the GaAs buffer layer 45 is increased by the provision of the first undoped GaAs layer 45a as compared with the conventional semiconductor device (shown in FIG. 3). Is wider than before. This is because the GaAs substrate 41 and the GaAs buffer layer 45 are affected by the voltage applied to the adjacent element.
This means that even if the hole charges move at the interface with the substrate, the degree of the influence of the movement affecting the two-dimensional electrons of the channel layer 23 can be reduced as compared with the related art. For this reason, the side gate breakdown voltage is improved as compared with the related art.

【0028】また、逆構造HEMTにおいて低周波帯で
の利得の周波数による変動(低周波利得変動)が生じる
原因の一つは基板の深い準位のチャネルへの影響であ
る。したがって、この発明のようにチャネルと基板との
距離を離せる構成であると、基板の深い準位のチャネル
への影響が小さくなるので、低周波利得変動も従来より
少く出来る。
One of the causes of the frequency-dependent fluctuation of the gain in the low-frequency band (low-frequency gain fluctuation) in the inverted structure HEMT is the influence on the deep level channel of the substrate. Therefore, when the distance between the channel and the substrate is increased as in the present invention, the influence of the deep level of the substrate on the channel is reduced, and the low-frequency gain fluctuation can be reduced as compared with the conventional case.

【0029】上述においては、この発明の半導体装置の
実施例について説明したがこの発明は上述の実施例に限
られるものではなく以下に説明するような種々の変更を
加えることが出来る。
Although the embodiment of the semiconductor device according to the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications as described below can be added.

【0030】上述の実施例ではGaAsバッファ層45
中に含ませるp型半導体層をp型GaAs層としていた
がこの層はGaAsと格子整合するものであれば他の材
料で構成したものでも良い。
In the above embodiment, the GaAs buffer layer 45
Although the p-type semiconductor layer included therein is a p-type GaAs layer, this layer may be made of another material as long as it is lattice-matched to GaAs.

【0031】また、上述の実施例ではGaAsバッファ
層45中に含ませるp型半導体層は1層としていたが、
設計によっては2層以上であっても良い。さらに、Ga
Asバッファ層45全体の導電型を不純物濃度が薄いp
型としても良い。
In the above embodiment, the GaAs buffer layer 45 includes only one p-type semiconductor layer.
Depending on the design, two or more layers may be used. Further, Ga
The conductivity type of the whole As buffer layer 45 is changed to p with a low impurity concentration.
It may be a type.

【0032】また、上述の実施例ではバッファ層を第1
のアンドープGaAs層45a、p型GaAs層45
b、第2のアンドープGaAs層45c及びアンドープ
AlGaAs層47で構成していたが、設計によっては
これらの層以外の層をバッファ層中に含めても良い。ま
た、上述の実施例ではスペーサ層21を設けていたが、
これを設けなくとも勿論良い。
In the above-described embodiment, the buffer layer is formed as the first layer.
Undoped GaAs layer 45a, p-type GaAs layer 45
b, the second undoped GaAs layer 45c and the undoped AlGaAs layer 47, but layers other than these layers may be included in the buffer layer depending on the design. In the above embodiment, the spacer layer 21 is provided.
Of course, this need not be provided.

【0033】また、チャネル層、キャップ層、オーミッ
ク層の各構成材料はこれに限られず他のものでも良い。
例えばInGaAsで構成しても良い。
The constituent materials of the channel layer, the cap layer, and the ohmic layer are not limited to these, but may be other materials.
For example, it may be made of InGaAs.

【0034】さらに、上述の実施例で説明した各層の膜
厚及び不純物濃度はこの発明の範囲内の一例にすぎな
い。従って、これらは設計に応じ変更出来ることは明ら
かである。
Further, the film thickness and impurity concentration of each layer described in the above embodiment are merely examples within the scope of the present invention. Therefore, it is clear that these can be changed according to the design.

【0035】[0035]

【発明の効果】上述した説明からも明らかなように、こ
の発明の半導体装置によれば、GaAsバッファ層内に
p型の半導体層であってこの半導体層に伝導を生じない
程度の厚さ及び濃度のp型の半導体層を設けたので、こ
のp型半導体層より下側のバッファ層部分の膜厚を変化
させてもこのp型半導体層より上側の半導体装置部分の
エネルギーバンド図は大きく変化しない。したがって、
AlGaAsバッファ層の膜厚を最大でも100nm程
度としたままでp型半導体層より下側のバッファ層部分
の膜厚を厚くしてGaAs基板と2次元電子ガスとの距
離を広げることが出来る。このため、GaAs基板とG
aAsバッファ層との界面でのホール電荷の移動が2次
元電子ガスに影響する程度を従来より低減出来るので、
サイドゲート耐圧向上が図れる。
As is clear from the above description, according to the semiconductor device of the present invention, the thickness and the thickness of the p-type semiconductor layer in the GaAs buffer layer are such that the semiconductor layer does not conduct. Since the p-type semiconductor layer having a high concentration is provided, even when the thickness of the buffer layer portion below the p-type semiconductor layer is changed, the energy band diagram of the semiconductor device portion above the p-type semiconductor layer greatly changes. do not do. Therefore,
The distance between the GaAs substrate and the two-dimensional electron gas can be increased by increasing the thickness of the buffer layer below the p-type semiconductor layer while keeping the thickness of the AlGaAs buffer layer at about 100 nm at the maximum. Therefore, the GaAs substrate and G
Since the extent to which the movement of the hole charges at the interface with the aAs buffer layer affects the two-dimensional electron gas can be reduced as compared with the related art,
The side gate breakdown voltage can be improved.

【0036】また、この発明のようにチャネルと基板と
の距離を離せる構成であると、基板の深い準位のチャネ
ルへの影響が従来より小さくなるので、低周波帯での利
得の周波数による変動も従来より少く出来る。
Further, when the distance between the channel and the substrate is increased as in the present invention, the influence of the deep level of the substrate on the channel is smaller than in the conventional case. Fluctuations can be made smaller than before.

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

【図1】実施例の半導体装置の説明に供する断面図であ
る。
FIG. 1 is a cross-sectional view for explaining a semiconductor device according to an embodiment.

【図2】実施例の半導体装置のエネルギーバンド図であ
る。
FIG. 2 is an energy band diagram of the semiconductor device of the embodiment.

【図3】従来の半導体装置の説明に供する断面図であ
る。
FIG. 3 is a cross-sectional view for explaining a conventional semiconductor device.

【図4】(A)〜(C)は、従来技術及びその問題点の
説明に供する図である。
FIGS. 4A to 4C are diagrams for explaining a conventional technique and its problems.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

41:GaAs基板 43:バッファ層 45:GaAsバッファ層 45a:第1のアンドープGaAs層 45b:GaAsと格子整合するp型半導体層であって
該半導体層に伝導を生じない程度の厚さ及び不純物濃度
のp型の半導体層 45c:第2のアンドープGaAs層 47:AlGaAsバッファ層 49:AlGaAsキャリア供給層 51:スペーサ層 53:チャネル層 55:キャップ層 57:オーミック層 59:リセス 61:ゲート電極 63:ソース・ドレイン電極
41: GaAs substrate 43: buffer layer 45: GaAs buffer layer 45a: first undoped GaAs layer 45b: p-type semiconductor layer lattice-matched to GaAs, and a thickness and impurity concentration that do not cause conduction in the semiconductor layer P-type semiconductor layer 45c: second undoped GaAs layer 47: AlGaAs buffer layer 49: AlGaAs carrier supply layer 51: spacer layer 53: channel layer 55: cap layer 57: ohmic layer 59: recess 61: gate electrode 63: Source / drain electrode

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 29/778 H01L 21/338 H01L 29/812 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Fields surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H01L 29/778 H01L 21/338 H01L 29/812

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 GaAs基板上に、該基板側からGaA
s層及びAlGaAs層をこの順に有するバッファ層を
具え、該バッファ層上にn型AlGaAsキャリア供給
層を具え、該キャリア供給層上側に該キャリア供給層と
格子整合する半導体層から成り該キャリア供給層より誘
起された電子をチャネルとするチャネル層を具え、該チ
ャネル層の上側にゲート電極、該ゲート電極の両側にソ
ース・ドレイン電極を具えて成る半導体装置において、 バッファ層のGaAs層内に該GaAs層と格子整合す
るp型の半導体層であって該半導体層に伝導を生じない
程度の厚さ及び不純物濃度のp型の半導体層を少なくと
も一層有したことを特徴とする半導体装置。
1. A GaAs substrate is formed on a GaAs substrate from the substrate side.
a buffer layer having an s layer and an AlGaAs layer in this order; an n-type AlGaAs carrier supply layer provided on the buffer layer; and a semiconductor layer lattice-matched with the carrier supply layer above the carrier supply layer. A semiconductor device comprising a channel layer having a channel formed by electrons induced by the channel, a gate electrode above the channel layer, and source / drain electrodes on both sides of the gate electrode, wherein the GaAs is formed in the GaAs layer of the buffer layer. A semiconductor device having at least one p-type semiconductor layer lattice-matched with a layer and having a thickness and an impurity concentration that do not cause conduction in the semiconductor layer.
【請求項2】 請求項1に記載の半導体装置において、 前記p型半導体層を少なくとも一層有した前記GaAs
層の厚さを最小でも0.3μmとしてあることを特徴と
する半導体装置。
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein said GaAs has at least one p-type semiconductor layer.
A semiconductor device, characterized in that the thickness of the layer is at least 0.3 μm.
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