JP3200142B2 - Field-effect transistor - Google Patents

Field-effect transistor

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JP3200142B2
JP3200142B2 JP07123192A JP7123192A JP3200142B2 JP 3200142 B2 JP3200142 B2 JP 3200142B2 JP 07123192 A JP07123192 A JP 07123192A JP 7123192 A JP7123192 A JP 7123192A JP 3200142 B2 JP3200142 B2 JP 3200142B2
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inas
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【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、衛星放送の送受信用
増幅素子や高速データ転送用素子として好適な電界効果
型トランジスタ(Field Effect Transistor、以下、FET
と略記する)に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a field effect transistor (hereinafter referred to as an FET) suitable as an amplifying element for transmitting and receiving satellite broadcasts and an element for high-speed data transfer.
Abbreviated).

【0002】[0002]

【従来の技術】衛星放送の送受信用増幅素子等に代表さ
れるGHz 帯の高周波素子として、GaAs基板上のGaAsのエ
ピタキシャル層を電子走行層とする、GaAs-MESFET(Meta
l Semiconductor FET)や、GaAsとAlGaAsのヘテロ構造界
面に蓄積する2次元電子層を用いたFET 、いわゆるHEMT
(High Electron Mobility Transistor:以後、GaAs-HEM
T と記す。特開昭56-94780号公報)が広く知られてい
る。GaAs素子が高速なのは、GaAsの電子移動度が、不純
物をドープしない状態(intrinsic state) で約8,000cm2
/V・secと高く、Siに比べて数倍(5〜6倍)の値を有す
るためである。
2. Description of the Related Art As a high-frequency device in the GHz band typified by an amplifying device for transmitting and receiving satellite broadcasts, a GaAs-MESFET (Meta-FET) using an epitaxial layer of GaAs on a GaAs substrate as an electron transit layer.
l Semiconductor FET) or FET using a two-dimensional electron layer that accumulates at the heterostructure interface between GaAs and AlGaAs, so-called HEMT
(High Electron Mobility Transistor: GaAs-HEM
Write T. JP-A-56-94780) is widely known. The reason why the GaAs device is fast is that the electron mobility of GaAs is about 8,000 cm 2 in the undoped state (intrinsic state).
/ V · sec, which is several times (5 to 6 times) the value of Si.

【0003】ただし、GaAs-MESFET では、電子走行層に
不純物をドープしなければならず、この不純物による伝
導電子の散乱のため、電子移動度は、4,000cm2/V・sec程
度まで低くなる。この問題を解決するために、GaAs-HEM
T では、バンドギャップが異なる異種の半導体のヘテロ
接合を使って、不純物がドープされた電子供給層と電子
走行層とを分離した構造を用いることによって、不純物
散乱の影響を減じ、高い電子移動度を実現している。
However, in the GaAs-MESFET, the electron transit layer must be doped with impurities, and the electron mobility is reduced to about 4,000 cm 2 / V · sec due to scattering of conduction electrons by the impurities. To solve this problem, GaAs-HEM
In T, the effect of impurity scattering is reduced by using a heterojunction of heterogeneous semiconductors with different band gaps to separate the impurity-doped electron supply layer and electron transit layer. Has been realized.

【0004】GaAs-HEMT の電子供給層の不純物濃度と膜
厚との関係を規定したものに、特開昭59-53714号公報、
USP No.4,424,525、USP No.Re.33,584がある。
Japanese Patent Application Laid-Open No. 59-53714 describes the relationship between the impurity concentration and the film thickness of the electron supply layer of a GaAs-HEMT.
There are USP No.4,424,525 and USP No.Re.33,584.

【0005】HEMT構造では、一般に、電子走行層の不純
物濃度が低いためオーミック電極が作りにくく、また電
子移動度の制御性が悪い。この欠点を補うために、ヘテ
ロ接合を形成する電子供給層と電子走行層の双方に、不
純物をドープしたGaAs-FETが提案されている(特開昭61
-54673号公報)。
In the HEMT structure, in general, it is difficult to form an ohmic electrode due to the low impurity concentration of the electron transit layer, and the controllability of electron mobility is poor. In order to compensate for this drawback, a GaAs-FET in which impurities are doped in both an electron supply layer and an electron transit layer forming a heterojunction has been proposed (Japanese Patent Application Laid-Open No. Sho 61/1986).
-54673).

【0006】また、2次元電子ガスの濃度を増大させる
目的で、不純物のドーピング領域をヘテロ接合を含む領
域まで広げたGaAsの半導体ヘテロ接合デバイスが提案さ
れている(特開昭61-276267 号公報)。
For the purpose of increasing the concentration of two-dimensional electron gas, there has been proposed a GaAs semiconductor heterojunction device in which an impurity doping region is extended to a region including a heterojunction (Japanese Patent Laid-Open No. 61-276267). ).

【0007】さらに、n型の電子走行層の上面と下面双
方が、これよりギャップが広く、かつ、不純物をドープ
されている化合物半導体からなる電子供給層に接するダ
ブルヘテロ型のGaAs-FETが提案されている(特開昭61-1
31565 号公報)。
Further, a double hetero-type GaAs-FET in which both the upper surface and the lower surface of the n-type electron transit layer have a wider gap and are in contact with an electron supply layer made of a compound semiconductor doped with impurities has been proposed. (Japanese Patent Laid-Open No. 61-1
No. 31565).

【0008】また、上記ヘテロ接合を用いたGaAs-FETの
ソースおよびドレイン下部の、電子供給層と電子走行層
の双方が、不純物を含むことを規定したものとしてUSP
No.4,424,525がある。
Further, USP defines that both an electron supply layer and an electron transit layer below a source and a drain of a GaAs-FET using the above heterojunction contain impurities.
No.4,424,525.

【0009】しかし、これらの素子によって、十数GHz
帯の電波の送受信が可能な素子を得るためには、0.2 μ
m 以下の、極めて短いゲート長を有するFET が必要にな
る。このような長さのゲート電極を形成するには、光リ
ソグラフィーが用いられることもあるが、高度の技術が
必要になり、安定的に生産するのは容易でない。
However, due to these elements, more than ten GHz
To obtain an element that can transmit and receive radio waves in the band, 0.2 μm
FETs with extremely short gate lengths of less than m are required. In order to form a gate electrode having such a length, optical lithography may be used, but a high level of technology is required, and stable production is not easy.

【0010】実際には、電子線リソグラフィーが使用さ
れることが多いが、工業的な量産性の点で光リソグラフ
ィーに比して難がある。その上、さらに高い周波数帯に
対応する高周波素子を上記のGaAs-MESFET やGaAs-HEMT
等のGaAs-FETで実現するためには、ゲート長の一層の微
細化が必要になる。しかし、ゲート長の微細化により、
素子の高周波化を行おうとすると、新たな技術開発や工
業的に成立しにくい高度のプロセス技術が必要となる。
このため、微細化技術が容易で、量産性があり、かつ、
従来以上に高い周波数帯に対応できる新しい構造の高周
波素子が求められている。
In practice, electron beam lithography is often used, but is more difficult than optical lithography in terms of industrial mass production. In addition, the GaAs-MESFET and GaAs-HEMT
In order to realize such a GaAs-FET, it is necessary to further reduce the gate length. However, due to the miniaturization of the gate length,
If an attempt is made to increase the frequency of the device, new technology development and advanced process technology that are not industrially feasible are required.
For this reason, miniaturization technology is easy, mass production is possible, and
There is a need for a high-frequency device having a new structure that can support a higher frequency band than ever before.

【0011】このような目的で、GaAsより高い電子移動
度を有するInGaAsの薄膜を、FET の電子走行層に用いる
提案がされている(特開昭63-272080 号公報)。この提
案では、n型InGaAs層を電子走行層として、この上面と
下面とが、GaAs層に接したダブルヘテロ接合を形成して
いる。GaAs層は、その双方をドープした試作例と、いず
れもノンドープの試作例とが示されている。基板にはGa
As基板が用いられている。この提案では、InGaAs層は、
GaAs層と直接接しているため、InGaAs中のAsに対するIn
原子数の割合は,格子整合性の要請から、小さくなけれ
ばならない。上記提案の試作例では、20%に押さえられ
ており、InGaAs層の膜厚も150 Åと薄い。Inの割合がこ
のように低くては,GaAsに比しての移動度の改善は、あ
まり大きなものではない。
For such a purpose, it has been proposed to use an InGaAs thin film having an electron mobility higher than that of GaAs for an electron transit layer of a FET (Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-272080). In this proposal, an n-type InGaAs layer is used as an electron transit layer, and an upper surface and a lower surface thereof form a double hetero junction in contact with the GaAs layer. The GaAs layer shows a prototype example in which both are doped, and a non-doped prototype example in both cases. The substrate is Ga
As substrate is used. In this proposal, the InGaAs layer
Because it is in direct contact with the GaAs layer, the In
The ratio of the number of atoms must be small due to the requirement of lattice matching. In the prototype example proposed above, it is suppressed to 20%, and the thickness of the InGaAs layer is as thin as 150 mm. With such a low In ratio, the improvement in mobility over GaAs is not very large.

【0012】さらに、GaAsに比して電子移動度と飽和速
度が圧倒的に大きいInAsの良質な薄膜を、FET の電子走
行層に用いる研究が行われている。
Further, research has been conducted on using a high-quality thin film of InAs having an overwhelmingly high electron mobility and saturation speed as compared with GaAs as an electron transit layer of a FET.

【0013】InAsの高い電子移動度と飽和速度は、GaAs
-FETに比して長いゲート長を有するFET でも、GaAs-FET
と同程度の高周波の電波の送受信を実現する可能性を有
している。しかし、これら従来のInAs-FETの試みは、以
下のような問題を含んでいる。
The high electron mobility and saturation velocity of InAs
FETs with longer gate lengths than GaAs-FETs
It has the possibility of transmitting and receiving radio waves of the same high frequency. However, these conventional InAs-FET attempts have the following problems.

【0014】(1) 用いる基板が高価で、工業的な素材と
しては適しない。
(1) The substrate used is expensive and is not suitable as an industrial material.

【0015】(2) 構造が複雑で、信頼性や製造工程に難
がある。
(2) The structure is complicated, and there are difficulties in reliability and manufacturing process.

【0016】(3) InAs層と、これに接する半導体層との
格子定数の違いのために、欠陥が発生しやすい。
(3) Due to the difference in lattice constant between the InAs layer and the semiconductor layer in contact with the InAs layer, defects are likely to occur.

【0017】(4) InAs層を、これと異なる格子定数を有
する半導体層上に積層する時、欠陥を生ずる事なく積層
できるInAs層の膜厚には限界がある。この限界の膜厚、
すなわち臨界膜厚が小さいため、FET の設計上必要とす
る膜厚のInAs層が得られない。
(4) When stacking an InAs layer on a semiconductor layer having a different lattice constant, there is a limit to the thickness of the InAs layer that can be stacked without causing defects. This limit of film thickness,
That is, since the critical film thickness is small, an InAs layer having a film thickness required in the design of the FET cannot be obtained.

【0018】(5) InAs層と、これに接する半導体層との
格子定数の違いが大きいため、InAs層に強いストレスが
かかり、熱的に不安定であったり、経時変化が大きい等
の問題があり信頼性に欠ける。
(5) Due to a large difference in lattice constant between the InAs layer and the semiconductor layer in contact with the InAs layer, strong stress is applied to the InAs layer, which causes problems such as thermal instability and large changes with time. Yes, lacks reliability.

【0019】(6) 基板とInAs層との間の寄生容量等が大
きいため、高周波素子として充分な機能を期待し難い。
(6) Due to the large parasitic capacitance between the substrate and the InAs layer, it is difficult to expect a sufficient function as a high-frequency element.

【0020】(7) 素材の一部が極めて酸化しやすいた
め、その製法が極めて複雑な上に信頼性に問題がある。
(7) Since a part of the material is very easily oxidized, the production method is extremely complicated and has a problem in reliability.

【0021】(8) InAsはバンドギャップエネルギーが小
さく適当なショットキー接合や、pn接合等の非オーミッ
ク接合が得られない。
(8) InAs has a small band gap energy, and a non-ohmic junction such as an appropriate Schottky junction or a pn junction cannot be obtained.

【0022】たとえば、InAsの基板を用いた、特開平2-
5439号公報記載の提案がある。InAs基板は、高価で、工
業的な目的にとって難点になるばかりか、常温では、絶
縁基板が得られないため、電子走行層との間に寄生容量
を有し、良好な高速特性を得る上で障害になる。
For example, Japanese Patent Application Laid-Open No.
There is a proposal described in JP-A-5439. InAs substrates are expensive and difficult for industrial purposes.At room temperature, an insulating substrate cannot be obtained.Therefore, there is a parasitic capacitance between the InAs substrate and the electron transit layer to obtain good high-speed characteristics. It becomes an obstacle.

【0023】一方、格子定数の大きく異なる基板上に、
InAs薄膜を直接形成したものもある。たとえば、特開平
2-229438号公報は、GaAs基板上に分子線エピタキシー(M
BE:Molecular Beam Epitaxy) 法を用いて、GaAsのバッ
ファ層を形成し、この上に直接、電子走行層としてのIn
As層を形成し、さらにこの上に、GaAs層を形成したダブ
ルヘテロ型のInAs-FETを開示している。この構造では、
格子定数の著しく異なるGaAs基板上にInAs層を形成する
ため、良質なInAs薄膜の得られるInAs層の膜厚は、20Å
程度以下に限定される。これは、電流駆動能力の高い素
子を設計する上で障害となり、設計上の自由度を著しく
制約し、実用上問題が多い。
On the other hand, on a substrate having a significantly different lattice constant,
Some have an InAs thin film formed directly. For example,
No. 2-229438 discloses molecular beam epitaxy (M
A buffer layer of GaAs is formed using the BE (Molecular Beam Epitaxy) method, and an In transmissive layer is directly formed on the buffer layer.
A double hetero-type InAs-FET in which an As layer is formed and a GaAs layer is further formed thereon is disclosed. In this structure,
Since the InAs layer is formed on a GaAs substrate having a remarkably different lattice constant, the thickness of the InAs layer that can provide a high-quality InAs thin film is 20 μm.
The degree is limited to below. This becomes an obstacle in designing an element having a high current driving capability, severely restricts the degree of freedom in design, and has many practical problems.

【0024】GaAs基板とInAs基板との格子不整合を緩和
する方法の一つとして、特開昭60-5572 号公報は、GaSb
とAlSb層の積層膜をバッファ層として用いたInAs-FETを
提案している。GaSbは、InAsとの格子定数のずれは小さ
く、0.6 %程度である。しかし、InAs層を電子走行層と
するFET を形成するためには、GaSb上にInAs薄膜を直接
形成するのは、図1(a)に示すように、GaSb層102 の価電
子帯上端が、InAs層103 の伝導帯下端より高くなってし
まい、好ましくない。このため、図1(b)に示すように、
GaSb層102 とInAs層103 とを電気的に絶縁するための電
流障壁層として、AlSb層104 をGaSb層102 上に形成し、
この上にInAs層103 を形成する。しかしながら、この構
造ではバッファ層が複雑になるばかりか、図1(c)に示す
ようにAlSb層104 を誘電体膜として、これをサンドイッ
チするGaSb層102 とInAs層103 とを電極とする寄生容量
が形成され、高速デバイスの構造として好ましくない。
また、AlSb層104 は、InAs層103 と格子定数が1.25%も
異なるため、AlSb膜104 上のInAs薄膜103 の臨界膜厚は
200 Å以下となってしまい、これも高電流駆動の素子を
得る上では制約になる。AlSb膜104 が極めて酸化しやす
い特性を有するのも、メサエッチ法による活性層領域の
形成等に際し、工程を複雑にする原因になるとともに酸
化による素子特性の経時的変化の可能性があり、実用性
に乏しい。さらに、この提案には、酸化防止法の開示も
無い。
As one method of alleviating the lattice mismatch between the GaAs substrate and the InAs substrate, Japanese Patent Application Laid-Open No.
We propose an InAs-FET using a stacked layer of AlSb and AlSb as a buffer layer. GaSb has a small lattice constant deviation from InAs, which is about 0.6%. However, in order to form an FET having an InAs layer as an electron transit layer, forming an InAs thin film directly on GaSb requires the upper end of the valence band of the GaSb layer 102 as shown in FIG. This is higher than the lower end of the conduction band of the InAs layer 103, which is not preferable. Therefore, as shown in FIG.
Forming an AlSb layer 104 on the GaSb layer 102 as a current barrier layer for electrically insulating the GaSb layer 102 and the InAs layer 103;
An InAs layer 103 is formed thereon. However, this structure not only complicates the buffer layer, but also, as shown in FIG. 1C, the parasitic capacitance using the AlSb layer 104 as a dielectric film and the GaSb layer 102 and the InAs layer 103 sandwiching it as electrodes. Is formed, which is not preferable as a structure of a high-speed device.
Further, since the AlSb layer 104 has a lattice constant different from that of the InAs layer 103 by 1.25%, the critical thickness of the InAs thin film 103 on the AlSb film 104 is
This is 200 mm or less, which is also a constraint in obtaining a device driven at a high current. The fact that the AlSb film 104 has the property of being easily oxidized also causes the process to be complicated when the active layer region is formed by the mesa etching method and the like, and there is a possibility that the element characteristics may change with time due to oxidation. Poor. Further, this proposal does not disclose an antioxidant method.

【0025】GaAs基板とInAs基板との格子不整合を緩和
する方法の一つとして、AlSbとAl0.5Ga0.5Sb層の積層膜
からなるバッファ層の上に形成されたInAs層を電子走行
層とするInAs-FETがある(IEEE ELECTRON DEVICE LETTER
S, Vol.11, No.11, NOVEMBER, 1990) 。図2(a)に上記In
As-FETの構造図を示す。Al0.5Ga0.5Sbは、InAsとの格子
定数のズレは0.9 %程であり、臨界膜厚は300 Å以下で
ある。このため高電流駆動の素子を得る上で制約にな
る。その上この例では、2.8 μm ものAlSb層を、基板と
Al0.5Ga0.5Sb層の間のバッファ層として用い、InAs層と
Al0.5Ga0.5Sb層の間には、電子走行層のキャリア濃度を
増加するために、60ÅのAlSb層を挿入する複雑な積層構
造を用いている。また、これらのキャリアは、意図せず
にドープされたAlSb中のドナーから、あるいはAlSb層と
InAs層との界面から、電子走行層に供給されたものであ
り、このFET の製造過程において、その濃度を設計値に
合わせて制御するのは難しい。したがって、これは工業
的な量産性の上で問題があり、実用性に乏しい。図2(b)
に、上記の方法で作製されたInAs-FETの電流・電圧特性
を示す。ピンチオフ特性が見られるが、飽和領域での線
形性に乏しく、ゲート長が1.7 μm もあるのに、インパ
クト・アイオニゼイション効果も著しく、実用性に乏し
い。
As one method of alleviating the lattice mismatch between the GaAs substrate and the InAs substrate, an InAs layer formed on a buffer layer composed of a laminated film of AlSb and Al 0.5 Ga 0.5 Sb is used as an electron transit layer. InAs-FET (IEEE ELECTRON DEVICE LETTER
S, Vol.11, No.11, NOVEMBER, 1990). FIG.
1 shows a structural diagram of an As-FET. Al 0.5 Ga 0.5 Sb has a lattice constant deviation from InAs of about 0.9% and a critical film thickness of 300 ° or less. For this reason, there is a limitation in obtaining an element driven at a high current. In addition, in this example, a 2.8 μm AlSb layer was
Used as a buffer layer between the Al 0.5 Ga 0.5 Sb layer and
In order to increase the carrier concentration of the electron transit layer, a complicated laminated structure in which a 60-degree AlSb layer is inserted between the Al 0.5 Ga 0.5 Sb layers is used. These carriers may also come from donors in the unintentionally doped AlSb or from the AlSb layer.
It is supplied from the interface with the InAs layer to the electron transit layer, and it is difficult to control the concentration according to the design value in the manufacturing process of this FET. Therefore, this is problematic in terms of industrial mass productivity and is not practical. Fig. 2 (b)
The following shows the current-voltage characteristics of the InAs-FET manufactured by the above method. Although pinch-off characteristics are observed, the linearity in the saturation region is poor and the gate length is as large as 1.7 μm, but the impact ionization effect is remarkable and practicality is poor.

【0026】InAs層を、これにほぼ格子整合するAlGaAs
Sb層でサンドイッチした構造のInAs-FETが提案されてい
る(特開昭60-144979 号公報)。この提案では、半絶縁
性InP 基板上に、組成比と格子定数がステップ状に変化
するInGaAs多層構造がバッファ層として配置されてい
る。InGaAs多層構造は、基板のInP の格子定数からInAs
の格子定数まで、ステップ毎に少しずつ変化するように
設計されている。この上に、AlGaAsSb層でInAs層をサン
ドイッチした構造の積層膜が形成される。AlGaAsSb層
は、InAs層に伝導電子を閉じ込めるための障壁層として
用いられている。このようにして得られるInAs-FETの構
造は、極めて複雑で製造上好ましくない。また、バッフ
ァ層を形成するInGaAsの多層膜の最上部のInGaAs層は、
InAsに極く近い特性を有し、バンドギャップもInAsのバ
ンドギャップに近く、常温では導体である。このため、
AlGaAsSb層を誘電体膜とし、電子走行層のInAs層とバッ
ファ層のInGaAs層を電極とする寄生容量が形成され、良
好な高周波特性が得られない。また、ゲート電極とInAs
層とが直接接すると、オーミック接触してしまうため、
活性領域の形成をメサ分離法で行う場合には、この接触
を避ける構造上の工夫が必要であるが、そのような構造
の開示はない。さらに、AlGaAsSb膜は、Ga成分が少ない
場合には極めて酸化しやすい特性を有するため、メサエ
ッチ法により活性層領域を形成する場合や、InAs膜の上
部のAlGaAsSb膜が露出するような構造では、AlGaAsSb膜
の酸化防止策は必須であるが、この提案では酸化防止法
の開示が無い。
The InAs layer is made of AlGaAs almost lattice-matched thereto.
An InAs-FET having a structure sandwiched by Sb layers has been proposed (JP-A-60-144979). In this proposal, an InGaAs multilayer structure in which the composition ratio and lattice constant change stepwise is arranged as a buffer layer on a semi-insulating InP substrate. The InGaAs multilayer structure is based on the InP lattice constant of the substrate.
It is designed to change little by little with each step up to the lattice constant of. On this, a laminated film having a structure in which an InAs layer is sandwiched by an AlGaAsSb layer is formed. The AlGaAsSb layer is used as a barrier layer for confining conduction electrons in the InAs layer. The structure of the InAs-FET obtained in this way is extremely complicated and is not preferable in manufacturing. In addition, the uppermost InGaAs layer of the InGaAs multilayer film forming the buffer layer is:
It has characteristics very close to InAs, and its band gap is close to that of InAs, and it is a conductor at room temperature. For this reason,
A parasitic capacitance is formed using the AlGaAsSb layer as a dielectric film and the InAs layer of the electron transit layer and the InGaAs layer of the buffer layer as electrodes, and good high-frequency characteristics cannot be obtained. In addition, the gate electrode and InAs
If the layer is in direct contact, it will make ohmic contact,
In the case where the active region is formed by the mesa separation method, it is necessary to devise a structure to avoid this contact, but there is no disclosure of such a structure. Further, since the AlGaAsSb film has a characteristic of being easily oxidized when the Ga component is small, the AlGaAsSb film is formed in a case where the active layer region is formed by the mesa etching method or in a structure where the AlGaAsSb film on the InAs film is exposed. Although measures to prevent oxidation of the film are essential, this proposal does not disclose an antioxidant method.

【0027】[0027]

【発明が解決しようとする課題】以上のように、高い電
子移動度を持つInAsを、FET の電子走行層として活用す
る試みはあったが、実用に適したFET 構造は見出されて
いない。
As described above, there have been attempts to utilize InAs having a high electron mobility as an electron transit layer of an FET, but no FET structure suitable for practical use has been found.

【0028】本発明は、衛星放送の送受信用増幅素子や
高速データ転送用素子として、優れた高周波特性を有す
るFET を提供することを目的とする。
An object of the present invention is to provide an FET having excellent high frequency characteristics as an amplifying element for transmitting and receiving satellite broadcasts and an element for high-speed data transfer.

【0029】[0029]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明によるFETは、InAsと異なる格子定数を有す
る半導体基板上に、バッファ層として機能する第1の化
合物半導体層と、電子走行層として機能するInAs層とを
順次積層した構成を有している。
In order to achieve the above object, an FET according to the present invention comprises a first compound semiconductor layer functioning as a buffer layer and an electron transit layer on a semiconductor substrate having a lattice constant different from InAs. And an InAs layer functioning as a layer.

【0030】[0030]

【作用】本発明において電子走行層として用いられたIn
Asは、高周波FET の電子走行層として通常用いられてい
るGaAsに比して、電子移動度と飽和速度が圧倒的に大き
い。また温度依存性も適度に小さく、GaAs-FETを凌ぐ次
世代型の高速素子の素材として期待されていた。なかで
も、実用的な意味から、GaAsやSiの汎用基板上に、InAs
の良質な結晶薄膜を形成する技術が望まれていた。
In the present invention, In used as an electron transit layer is used.
As has much higher electron mobility and saturation velocity than GaAs, which is usually used as an electron transit layer of a high-frequency FET. In addition, its temperature dependence is moderately small, and it was expected as a material for next-generation high-speed devices exceeding GaAs-FETs. In particular, from a practical point of view, InAs
A technique for forming a high-quality crystal thin film has been desired.

【0031】GaAsやSi基板は、InAsと格子定数が著しく
異なるため、これらの基板上にInAs層を形成すると、数
層の原子層で臨界膜厚を越え、格子欠陥が発生する。こ
のため、良質なInAs薄膜を得るためには基板とInAs薄膜
の間に絶縁性のバッファ層を形成する必要がある。バッ
ファ層としては、InAsに実質的に格子整合し、欠陥の少
ない平滑な表面を有するものが望ましいことは無論であ
るが、製法の上からも信頼性の上からも熱的に安定で、
経時変化の少ない単純な構造が望ましく、また基板リー
ク電流を防御し、寄生容量の少ない構造で、かつ絶縁性
であることが望ましい。
Since a lattice constant of GaAs or Si substrate is significantly different from that of InAs, when an InAs layer is formed on these substrates, several atomic layers exceed the critical thickness and lattice defects occur. Therefore, in order to obtain a high-quality InAs thin film, it is necessary to form an insulating buffer layer between the substrate and the InAs thin film. It is a matter of course that the buffer layer should be substantially lattice-matched to InAs and have a smooth surface with few defects, but it is thermally stable from the viewpoint of the manufacturing method and reliability.
It is desirable to have a simple structure with little change over time, and it is also desirable to have a structure that protects the substrate leakage current, has a small parasitic capacitance, and is insulating.

【0032】本発明は、このようなバッファ層の素材と
しての条件を満足する、単純な構造を有する半導体層の
発見に基づき、このバッファ層上に形成されたInAs層を
活性層とする、優れた高周波特性を有するFET をInAs層
と格子定数の異なる基板上で、実現する全く新しいFET
構造を提示するものである。
The present invention is based on the discovery of a semiconductor layer having a simple structure which satisfies the conditions as a material for such a buffer layer, and based on the finding that an InAs layer formed on this buffer layer is used as an active layer. New FET that realizes a high-frequency FET on a substrate with a different lattice constant from the InAs layer
The structure is presented.

【0033】第1の化合物半導体層は、InAsと実質的に
格子整合し、それよりバンドギャップの大きい、AlGaAs
Sb,AlGaPSb ,AlInAsSb、またはAlInPSb の中から選択
して形成したもので、単純な構成を有している。
The first compound semiconductor layer is substantially lattice-matched with InAs and has a band gap larger than that of AlGaAs.
It is formed by selecting from Sb, AlGaPSb, AlInAsSb, or AlInPSb, and has a simple configuration.

【0034】バッファ層の構造が単純化できたのは、Al
GaAsSb層等の第1の化合物半導体層が、基板とInAs層と
の格子不整合の影響をわずか数十原子層で吸収し、平滑
な平面を形成するという事実を見いだしたことによる。
これによって、汎用基板であるGaAsやSi基板上に、格子
欠陥等の少ない良質なInAs薄膜を形成することができ
た。しかも、そのInAs層の臨界膜厚は、FET の設計上必
要とする膜厚を得るのに十分な程大きくて、InAs層の界
面の受けるストレスも小さく熱的に安定で、経時変化が
小さく信頼度の高い素子を得ることができ、かつ、InAs
層と基板間の寄生容量等も小さく、高周波素子として優
れた特性が得られた。素材の一部には酸化しやすいもの
もあるが、メサ構造の側壁や保護膜によって、酸化を防
止することができた。ショットキー接合等についても、
これを容易にするいくつかの工夫を用い、高周波特性に
優れたFET を実現することができた。
The reason why the structure of the buffer layer could be simplified was that Al
It is because the fact that the first compound semiconductor layer such as the GaAsSb layer absorbs the influence of the lattice mismatch between the substrate and the InAs layer with only several tens of atomic layers and forms a smooth plane.
As a result, it was possible to form a high-quality InAs thin film with few lattice defects on a GaAs or Si substrate which is a general-purpose substrate. In addition, the critical thickness of the InAs layer is large enough to obtain the required film thickness for the FET design, the stress applied to the interface of the InAs layer is small, the thermal stability is stable, and the change with time is small. A high degree of element can be obtained and InAs
The parasitic capacitance between the layer and the substrate was small, and excellent characteristics as a high-frequency element were obtained. Although some of the materials are easily oxidized, the oxidation was prevented by the side walls of the mesa structure and the protective film. For Schottky bonding, etc.
By using several devices to make this easier, a FET with excellent high-frequency characteristics was realized.

【0035】[0035]

【実施例】本発明者らは、InAsに格子整合しない絶縁性
基板上に、InAsと実質的に格子整合し、かつ基板とInAs
の間の格子不整合を吸収するバッファ層を設けた新たな
構造のInAs-FETを検討してきた。その結果、InAsに実質
的に格子整合し、かつInAsに比べてバンドギャップの大
きい化合物半導体のひとつであるAlGaAsSbを、InAsと格
子整合しない基板上に形成し、その上部にInAs層を形成
する構造を見出した。この構造では、基板とInAsとの格
子不整合がわずか数十原子層のAlGaAsSb層内で緩和さ
れ、良質なInAs層が得られるばかりでなく、基板とAlGa
AsSb層の界面付近の格子の乱れも少なく、FET を製作し
たとき寄生容量の少ないことが分かった。また、この他
にも同様の効果を示すいくつかの化合物半導体があるこ
とも明らかになった。これらの化合物半導体を、基板と
InAs層の間の格子不整合を緩和するためのバッファ層と
し、このバッファ層上にInAs層を形成し、さらに、InAs
と実質的に格子整合する化合物半導体の層をInAs層上に
形成することにより、これまでには実現できなかった良
好な特性を持つInAs-FETが実現できた。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present inventors, on an insulating substrate that is not lattice-matched with InAs, have substantially lattice-matched with InAs, and
We have studied a new structure of InAs-FET with a buffer layer that absorbs the lattice mismatch between layers. As a result, a structure in which AlGaAsSb, which is a compound semiconductor that is substantially lattice-matched to InAs and has a larger band gap than InAs, is formed on a substrate that does not lattice-match with InAs, and an InAs layer is formed on top of it. Was found. In this structure, the lattice mismatch between the substrate and InAs is alleviated in the AlGaAsSb layer of only several tens of atomic layers, and not only a high-quality InAs layer can be obtained, but also the substrate and the AlGas layer.
The lattice distortion near the interface of the AsSb layer was small, and it was found that the parasitic capacitance was small when the FET was manufactured. It has also been found that there are some other compound semiconductors that exhibit similar effects. These compound semiconductors are
A buffer layer for relaxing lattice mismatch between the InAs layers, an InAs layer is formed on the buffer layer,
By forming a compound semiconductor layer substantially lattice-matched with the InAs layer on the InAs layer, an InAs-FET having excellent characteristics which could not be realized until now was realized.

【0036】実施例1 以下、本発明による電界効果トランジスタの一実施例を
図3により説明する。図3において、1は基板、2は第
1の化合物半導体層、3はInAs層、4は第2の化合物半
導体層を示す。また、5と7は一対のオーミック電極で
あり、5はソース電極、7はドレイン電極である。6は
ソース電極5とドレイン電極7の間に設けられたゲート
電極である。以下、各構成要素について説明する。
Embodiment 1 An embodiment of a field effect transistor according to the present invention will be described below with reference to FIG. In FIG. 3, 1 indicates a substrate, 2 indicates a first compound semiconductor layer, 3 indicates an InAs layer, and 4 indicates a second compound semiconductor layer. 5 and 7 are a pair of ohmic electrodes, 5 is a source electrode, and 7 is a drain electrode. Reference numeral 6 denotes a gate electrode provided between the source electrode 5 and the drain electrode 7. Hereinafter, each component will be described.

【0037】基板1 本発明に用いられる基板1は、InAsと異なる格子定数を
有する基板であればなんでも良いが、GaAs基板、もしく
は、GaP 基板、表面に単結晶のGaAsを成長させたSi基
板、サファイア基板などが好適である。なかでも半絶縁
性で良質の単結晶基板が得られるGaAs基板は、特に好ま
しい。ここで言う半絶縁性とは、抵抗率が107 Ω・cm以
上のものを指す。単結晶基板を用いる場合、基板の面方
位は(100),(111),(110) 等が好ましい。これらの面方位
から、1°〜5°ずらした面方位を用いることもある。
中でも、(100) 面は良質の薄膜を成長させるうえで最適
である。通常行われるように、基板表面を平坦化させ、
清浄化させる目的で、基板と同じ材質の半導体を成長さ
せたものを本発明の基板として使用してもよい。GaAs基
板上にGaAsを成長させるのは、この最も代表的な1例で
ある。本発明が従来法に比して優れているのは、InAsと
格子定数の異なる基板を用いる場合であるが、特に、In
Asと3.5 %以上異なる格子定数を有する基板には、GaAs
基板、Si基板等があり、結晶の純度、平坦性、基板コス
ト等の点から望ましい基板が多いため、本発明の従来法
に対する優越性は最も顕著になる。
Substrate 1 The substrate 1 used in the present invention may be any substrate having a lattice constant different from that of InAs, such as a GaAs substrate or a GaP substrate, a Si substrate on which monocrystalline GaAs is grown on the surface, A sapphire substrate or the like is suitable. Above all, a GaAs substrate from which a semi-insulating and high-quality single crystal substrate can be obtained is particularly preferable. Here, the semi-insulating property means a substance having a resistivity of 10 7 Ω · cm or more. When a single crystal substrate is used, the plane orientation of the substrate is preferably (100), (111), (110), or the like. A plane orientation shifted from 1 to 5 degrees from these plane orientations may be used.
Among them, the (100) plane is most suitable for growing a good quality thin film. Flatten the substrate surface as usual,
For the purpose of cleaning, a substrate obtained by growing a semiconductor of the same material as the substrate may be used as the substrate of the present invention. Growing GaAs on a GaAs substrate is one of the most typical examples. The present invention is superior to the conventional method when a substrate having a different lattice constant from InAs is used.
As a substrate having a lattice constant different from As by 3.5% or more, GaAs
There are many substrates, such as a substrate and a Si substrate, which are desirable from the viewpoint of crystal purity, flatness, substrate cost, and the like.

【0038】第1の化合物半導体層2 第1の化合物半導体層2は、(a) InAs層と実質的に格子
整合し、(b) InAs層3と大きく格子定数の異なるGaAs等
の基板に直接積層した場合でも,欠陥の少ない平滑な表
面を有し、(c) 基板との界面付近では寄生容量等の原因
になる結晶欠陥が少ない化合物半導体で、かつ(d) InAs
層3との界面では、基板リーク電流を阻止する障壁を形
成するものが好ましい。
First Compound Semiconductor Layer 2 The first compound semiconductor layer 2 is (a) substantially lattice-matched with the InAs layer, and (b) directly connected to a substrate of GaAs or the like having a large lattice constant different from that of the InAs layer 3. Even when stacked, it has a smooth surface with few defects, and (c) a compound semiconductor with few crystal defects causing parasitic capacitance near the interface with the substrate; and (d) InAs
At the interface with the layer 3, it is preferable to form a barrier for preventing a substrate leakage current.

【0039】図4に、MBE を用いてGaAs基板1上に直接
形成したAlGaAsSb層2の膜厚によって、この層の上に積
層された300ÅのInAs層3の電子移動度が変化する様子
を黒丸で示す。また、比較のため、GaAs基板上に直接設
けたAlSb層の上に形成された、300 ÅのInAs層の電子移
動度を白丸で示す。AlSb層上の300 ÅのInAs層は、既に
臨界膜厚を越えていて、電子移動度は悪くなっている。
AlGaAsSb層2上に形成されたInAs層3の電子移動度は、
AlGaAsSb層2の膜厚が0.1 μm 以上では、高い値が得ら
れ、300 Åでも既にかなり高い値が得られている。この
結果と、RHEED(REFLECTION HIGH ENERGY ELECTRON DIFF
RACTION)およびX線解析等の結果からも、膜厚が0.1 μ
m 以上のAlGaAsSb層2は、きわめて平滑な表面を有する
ばかりか、GaAs基板1との界面から約100 Å程度の距離
にある領域を除けば、膜の大部分の領域において、欠陥
の少ない良質な結晶性を有することが分かった。AlGaPS
b,AlInAsSb およびAlInPSb も同様な特性を有してい
る。
FIG. 4 shows how the electron mobility of the 300-degree InAs layer 3 stacked on the AlGaAsSb layer 2 formed directly on the GaAs substrate 1 using MBE varies with the thickness of the MBE layer. Indicated by For comparison, the white circles indicate the electron mobility of a 300-nm InAs layer formed on an AlSb layer provided directly on a GaAs substrate. The 300-nm InAs layer on the AlSb layer has already exceeded the critical film thickness, and the electron mobility has deteriorated.
The electron mobility of the InAs layer 3 formed on the AlGaAsSb layer 2 is
A high value is obtained when the thickness of the AlGaAsSb layer 2 is 0.1 μm or more, and a considerably high value is already obtained even at 300 °. The result and RHEED (REFLECTION HIGH ENERGY ELECTRON DIFF
RACTION) and X-ray analysis, etc.
m or more, the AlGaAsSb layer 2 not only has an extremely smooth surface, but also has good quality with few defects in most of the film except for a region at a distance of about 100 ° from the interface with the GaAs substrate 1. It was found to have crystallinity. AlGaPS
b, AlInAsSb and AlInPSb also have similar properties.

【0040】これら4種類の化合物半導体,Alx1Ga1-x1
Asy1Sb1-y1,Alx2In1-x2Asy2Sb1-y2,Alx3In1-x3Py3 Sb
1-y3およびAlx4Ga1-x4Py4Sb1-y4 は、その成分比を選ぶ
ことによっていずれもこれらの条件を満足させることが
できる。その組成比の範囲は、次に述べる3通りの異な
る方法によって定められる。
These four types of compound semiconductors, Al x1 Ga 1-x1
As y1 Sb 1-y1 , Al x2 In 1-x2 As y2 Sb 1-y2 , Al x3 In 1-x3 P y3 Sb
1-y3 and Al x4 Ga 1-x4 P y4 Sb 1-y4 , any by choosing the component ratio can satisfy these conditions. The range of the composition ratio is determined by the following three different methods.

【0041】I.第1の方法 第1の方法は、以下の2条件を満足するように定められ
る。
I. First Method The first method is determined so as to satisfy the following two conditions.

【0042】(1A)第1の化合物半導体層2の格子定数
が、InAs層3のInAsの格子定数に、0.6%以内で一致
し、かつ、(2) 第1の化合物半導体層2が1eV以上のバ
ンドギャップを有し、InAs層3の伝導電子をInAs層3内
に閉じ込めるのに必要なポテンシャル障壁を形成する。
(1A) The lattice constant of the first compound semiconductor layer 2 matches the InAs lattice constant of the InAs layer 3 within 0.6%, and (2) the first compound semiconductor layer 2 has a lattice constant of 1 eV or more. , And forms a potential barrier necessary for confining the conduction electrons of the InAs layer 3 in the InAs layer 3.

【0043】InAsと0.6 %以内の格子整合をする化合物
半導体は、III-V 属の2元系ではInAs以外には存在しな
い。しかしながら、第1の化合物半導体2の上に積層さ
れたInAs層3が適切な臨界膜厚を有し、かつ熱安定性や
経時変化の原因となるストレスの少ない薄膜を形成する
ためには、0.6 %以内の格子整合は必要と考えられる。
図5は、この条件を満足するIII-V 属の4元系化合物半
導体の相図である。
There is no compound semiconductor other than InAs in the III-V group binary system that has a lattice matching within 0.6% with InAs. However, in order for the InAs layer 3 laminated on the first compound semiconductor 2 to have an appropriate critical thickness and to form a thin film with less stress that causes thermal stability and aging, 0.6 % Lattice matching is considered necessary.
FIG. 5 is a phase diagram of a III-V quaternary compound semiconductor satisfying this condition.

【0044】図5に示す相図において、Alx1Ga1-x1Asy1
Sb1-y1は、AlAsとAlSbとGaSbとGaAsの4点を結んで得ら
れる矩形領域D1内の点で表される。この領域D1におい
て、x1の値は、GaAsとGaSbの点を結ぶ直線L1からの距離
に比例して0から1まで変化し、AlAsとAlSbの点を結ぶ
直線L2上で1を取る。y1の値は、AlSbとGaSbを結ぶ直線
L3からの距離に比例して0から1まで変化し、AlAsとGa
Asを結ぶ直線L4上で1になる。図中の破線と一点鎖線
は、それぞれ、各点で表される組成と組成比を有する化
合物半導体のバンドギャップの等高線と格子定数の等高
線を示す。
In the phase diagram shown in FIG. 5, Al x1 Ga 1-x1 As y1
Sb 1 -y 1 is represented by a point in a rectangular area D 1 obtained by connecting four points of AlAs, AlSb, GaSb, and GaAs. In this region D1, the value of x1 changes from 0 to 1 in proportion to the distance from the line L1 connecting the points of GaAs and GaSb, and takes 1 on the line L2 connecting the points of AlAs and AlSb. The value of y1 is a straight line connecting AlSb and GaSb
AlAs and Ga change from 0 to 1 in proportion to the distance from L3.
It becomes 1 on the straight line L4 connecting As. The dashed line and the dashed line in the figure show the contour line of the band gap and the contour line of the lattice constant of the compound semiconductor having the composition and composition ratio represented by each point, respectively.

【0045】図5に、上記(1A)および(2) の条件を満足
する、Alx1Ga1-x1Asy1Sb1-y1を含む領域を実線で描かれ
た矩形R1の領域で示す。この領域は、{0.21≦x1≦1.0
、0.02≦y1≦0.22}で規定される。同様に、(1A)、お
よび(2) の条件を満足するAlx2In1-x2Asy2Sb1-y2、Alx3
In1-x3Py3Sb1-y3 、およびAlx4Ga1-x4Py4Sb1-y4 を含む
矩形領域は、それぞれ、{0.34≦x2≦1.0 、0.09≦y2≦
0.79}、{0.07≦x3≦1.0 、0.06≦y3≦0.72}、および
{0.13≦x4≦1.0 、0.13≦y4≦0.18}で規定される。よ
り厳密には、(1A)および(2) の条件を満たす、上記4種
類の化合物半導体の組成比の範囲は、 {0.21≦x1≦1.0 、0.09x1≦y1≦0.07x1+0.15}、 {0.34≦x2≦1.0 、 -0.82x2+0.91≦y2≦-0.87x2+1.09}、 {0.07≦x3≦1.0 、 -0.57x3+0.63≦y3≦-0.58x3+0.76}、および {0.13≦x4≦1.0 、0.06x4≦y4≦0.06x4+0.12} で規定される。
FIG. 5 shows a region including Al x1 Ga 1-x1 Asy1 Sb 1-y1 which satisfies the conditions (1A) and (2) by a rectangle R1 drawn by a solid line. This area is {0.21 ≦ x1 ≦ 1.0
, 0.02 ≦ y1 ≦ 0.22 °. Similarly, Al x2 In 1-x2 As y2 Sb 1-y2 , Al x3 satisfying the conditions of (1A) and (2)
In 1-x3 P y3 Sb 1-y3 , and a rectangular region including Al x4 Ga 1-x4 P y4 Sb 1-y4 , respectively, {0.34 ≦ x2 ≦ 1.0, 0.09 ≦ y2 ≦
0.79}, {0.07 ≦ x3 ≦ 1.0, 0.06 ≦ y3 ≦ 0.72}, and {0.13 ≦ x4 ≦ 1.0, 0.13 ≦ y4 ≦ 0.18}. More strictly, the ranges of the composition ratios of the four types of compound semiconductors satisfying the conditions of (1A) and (2) are {0.21 ≦ x1 ≦ 1.0, 0.09x1 ≦ y1 ≦ 0.07x1 + 0.15}, {0.34 ≤x2≤1.0, -0.82x2 + 0.91≤y2≤-0.87x2 + 1.09}, {0.07≤x3≤1.0, -0.57x3 + 0.63≤y3≤-0.58x3 + 0.76}, and {0.13≤x4≤1.0, 0.06x4 ≦ y4 ≦ 0.06x4 + 0.12}.

【0046】II.第2の方法 より良質なInAs層3の得られる範囲として、第2の方法
は、以下の2条件を満足するように定められる。(1B)第
1の化合物半導体層2の格子定数が、InAs層3のInAsの
格子定数に、0.4 %以内で一致し、(2) 第1の化合物半
導体層2が1eV以上のバンドギャップを有し、InAs層3
の伝導電子をInAs層3内に閉じ込めるのに必要なポテン
シャル障壁を形成する。
II. Second Method As a range in which a better quality InAs layer 3 can be obtained, the second method is determined so as to satisfy the following two conditions. (1B) The lattice constant of the first compound semiconductor layer 2 matches the InAs lattice constant of the InAs layer 3 within 0.4%, and (2) the first compound semiconductor layer 2 has a band gap of 1 eV or more. And InAs layer 3
Is formed in the InAs layer 3 to form a potential barrier necessary for confining the conduction electrons in the InAs layer 3.

【0047】上記(1B)および(2) の条件を満足する、上
記4種類の化合物半導体の組成比の範囲は、図5に基づ
いて以下のように規定される。
The ranges of the composition ratios of the four types of compound semiconductors satisfying the conditions (1B) and (2) are defined as follows based on FIG.

【0048】 Alx1Ga1-x1Asy1Sb1-y1は、 {0.21≦x1≦1.0 、 0.08x1+0.03 ≦y1≦0.08x1+0.12}、 Alx2In1-x2Asy2Sb1-y2は、 {0.34≦x2≦1.0 、 -0.83x2+0.94≦y2≦-0.86x2+1.06}、 Alx3In1-x3Py3Sb1-y3 は、 {0.07≦x3≦1.0 、 -0.57x3+0.65≦y3≦-0.58x3+0.74}、および Alx4Ga1-x4Py4Sb1-y4 は、 {0.13≦x4≦1.0 、 0.06x4+0.02 ≦y4≦0.06x4+0.10}。Al x1 Ga 1-x1 As y1 Sb 1-y1 is {0.21 ≦ x1 ≦ 1.0, 0.08x1 + 0.03 ≦ y1 ≦ 0.08x1 + 0.12}, Al x2 In 1-x2 As y2 Sb 1-y2 is , {0.34 ≦ x2 ≦ 1.0, -0.83x2 + 0.94 ≦ y2 ≦ -0.86x2 + 1.06}, Alx3In1-x3Py3Sb1-y3, {0.07 ≦ x3 ≦ 1.0, -0.57x3 + 0.65 ≦ y3 ≦ -0.58x3 + 0.74 }, And Al x4 Ga 1-x4 P y4 Sb 1-y4 are {0.13 ≦ x4 ≦ 1.0, 0.06x4 + 0.02 ≦ y4 ≦ 0.06x4 + 0.10}.

【0049】III .第3の方法 第3の方法は、以下の2条件を満足するように定められ
る。
III. Third Method The third method is determined so as to satisfy the following two conditions.

【0050】(1C)第1の化合物半導体層2の上に形成さ
れたInAs層3の臨界膜厚が、このInAs層3を電子走行層
とするFET の相互コンダクタンスを最大にするようなIn
As層の膜厚以上になり、かつ、(2) 第1の化合物半導体
層2が1eV以上のバンドギャップを有し、InAs層3の伝
導電子をInAs層3内に閉じ込めるのに必要なポテンシャ
ル障壁を形成する。
(1C) The critical thickness of the InAs layer 3 formed on the first compound semiconductor layer 2 is such that the mutual conductance of the FET using the InAs layer 3 as an electron transit layer is maximized.
(2) The potential barrier necessary for confining the conduction electrons of the InAs layer 3 in the InAs layer 3 because the first compound semiconductor layer 2 has a band gap of 1 eV or more. To form

【0051】図6は、AlGaAsSb層2の格子定数の、InAs
の格子定数に対する、格子不整合の度合と、臨界膜厚と
の関係の概略を示す。AlGaPSb, InGaAsSb およびInGaPS
b もほぼ同様の特性を示す。
FIG. 6 shows the lattice constant of the AlGaAsSb layer 2 as InAs.
An outline of the relationship between the degree of lattice mismatch and the critical film thickness with respect to the lattice constant of FIG. AlGaPSb, InGaAsSb and InGaPS
b shows almost the same characteristics.

【0052】図6に示すように、最も高い格子整合度を
必要とするのは、最も厚い電子走行層を必要とする場合
であるが、本発明では、必要とする電子走行層の膜厚の
好ましい上限を、FET の相互コンダクタンスが最大にな
る膜厚として定めた。
As shown in FIG. 6, the highest degree of lattice matching is required when the thickest electron transit layer is required. A preferred upper limit is defined as the film thickness at which the transconductance of the FET is maximized.

【0053】FET の相互コンダクタンスの大きさは、そ
の値が最大になるバイアス条件において移動度μ、ドナ
ー濃度NDおよび電子走行層の膜厚aの積μNDa にほぼ比
例する。このため、相互コンダクタンスの大きなFET を
得るためには、積μNDa の大きな構造が望まれる。電子
走行層3に垂直に電圧をかけて、電子走行層3を空乏化
するのに必要な、電子走行層3の上面と下面の電位差を
Voffとすれば、電圧Voffはドナー濃度NDと膜厚aと共に
増大する。FET では、電圧Voffの値は、電子走行層3の
ソース・ドレイン間耐圧VBの1/4 程度とするのが好まし
い。
[0053] magnitude of the transconductance of the FET, the mobility μ in the bias condition whose value is maximum is substantially proportional to the product [mu] N D a of thickness a donor concentration N D and the electron transit layer. Therefore, in order to obtain a large FET transconductance is large structures of the product [mu] N D a is desired. A voltage is applied vertically to the electron transit layer 3, and the potential difference between the upper surface and the lower surface of the electron transit layer 3 required to deplete the electron transit layer 3 is calculated.
If V off, the voltage V off increases with donor concentration N D and the thickness a. In the FET, the value of the voltage V off is preferably set to about 1 of the source-drain breakdown voltage V B of the electron transit layer 3.

【0054】図7は、積μNDa の膜厚aへの依存性の概
要を示すグラフである。それぞれの膜厚aにおける積μ
NDa の値は、電圧Voffが耐圧VBの1/4 程度となるよう
に、ドナー濃度NDを定め、耐圧VBおよび移動度μのND
存性を考慮して与えられている。積μNDa は、膜厚aの
値が2,000Å付近で最大値をとり、この点でaの増加関
数から減少関数に変化している。よって、InAs層3の厚
さは、実用素子では2,000 Å以下でよいことが分かる。
また図6から、400 Å位の膜厚があれば、相互コンダク
タンスは最大値の80%程度になることが分かる。
FIG. 7 is a graph showing an outline of the dependence of the product μN D a on the film thickness a. Product μ at each film thickness a
The value of N D a, such that the voltage V off becomes about 1/4 breakdown voltage V B, defines the donor concentration N D, given in consideration of the N D dependence of breakdown voltage V B and the mobility μ I have. Product [mu] N D a, the value of the thickness a is a maximum value in the vicinity of 2,000 Å, is changed to decreasing function from increasing function of a in this respect. Therefore, it is understood that the thickness of the InAs layer 3 may be 2,000 mm or less in a practical device.
FIG. 6 shows that the transconductance is about 80% of the maximum value when the thickness is about 400 Å.

【0055】図5から、次の条件が得られる。From FIG. 5, the following conditions are obtained.

【0056】(3) 臨界膜厚2,000 ÅのInAs電子走行層3
を実現するためには、AlGaAsSb層2の成分比は、その格
子定数の、InAsの格子定数に対するズレが、0.2 %以内
になるように定めることが必要である。
(3) InAs electron transit layer 3 with a critical film thickness of 2,000 mm
In order to realize the above, it is necessary to determine the component ratio of the AlGaAsSb layer 2 such that the deviation of its lattice constant from the lattice constant of InAs is within 0.2%.

【0057】なお、臨界膜厚400 ÅのInAs電子走行層3
を実現するためには、AlGaAsSb層2の成分比は、その格
子定数の、InAsの格子定数に対するズレが、0.6 %以内
になるように定めることが必要であることが分かる。Al
GaPSb, InGaAsSb およびInGaPSb を第1化合物半導体層
2として用いる場合にも同様の結果が得られる。
The InAs electron transit layer 3 having a critical thickness of 400 400
It can be seen that in order to realize the above, the component ratio of the AlGaAsSb layer 2 needs to be determined so that the deviation of its lattice constant from the lattice constant of InAs is within 0.6%. Al
Similar results are obtained when GaPSb, InGaAsSb, and InGaPSb are used as the first compound semiconductor layer 2.

【0058】さらに高い相互コンダクタンスのFET を実
現するために、上記(1C)、(2) の条件を満足するだけで
なく、(3) の条件をも満たす、第1の化合物半導体層2
の組成は、図5の相図に基づいて求めることができる。
その結果は、以下の通りである。
In order to realize a FET having a higher transconductance, the first compound semiconductor layer 2 not only satisfies the conditions (1C) and (2) but also satisfies the condition (3).
Can be determined based on the phase diagram of FIG.
The results are as follows.

【0059】 Alx1Ga1-x1Asy1Sb1-y1は、 {0.21≦x1≦1.0 、 0.08x1+0.05 ≦y1≦0.08x1+0.10}、 Alx2In1-x2Asy2Sb1-y2は、 {0.34≦x2≦1.0 、 -0.84x2+0.97≦y2≦-0.85x2+1.03}、 Alx3In1-x3Py3Sb1-y3 は、 {0.07≦x3≦1.0 、 -0.57x3+0.67≦y3≦-0.58x3+0.72}、および Alx4Ga1-x4Py4Sb1-y4 は、 {0.13≦x4≦1.0 、 0.06x4+0.04 ≦y4≦0.06x4+0.08}。Al x1 Ga 1-x1 As y1 Sb 1-y1 is {0.21 ≦ x1 ≦ 1.0, 0.08x1 + 0.05 ≦ y1 ≦ 0.08x1 + 0.10}, Al x2 In 1-x2 As y2 Sb 1-y2 is , {0.34 ≦ x2 ≦ 1.0, -0.84x2 + 0.97 ≦ y2 ≦ -0.85x2 + 1.03}, Alx3In1-x3Py3Sb1-y3, {0.07 ≦ x3 ≦ 1.0, -0.57x3 + 0.67 ≦ y3 ≦ -0.58x3 + 0.72 }, And Al x4 Ga 1-x4 P y4 Sb 1-y4 are {0.13 ≦ x4 ≦ 1.0, 0.06x4 + 0.04 ≦ y4 ≦ 0.06x4 + 0.08}.

【0060】この4種類の化合物半導体の中でも、組成
の制御がしやすく、良質の薄膜が得やすいAlGaAsSb,Al
InAsSbが好ましい。特に、AlGaAsSbを第1の化合物半導
体層2とした場合、FET 特性は最も良好であった。
Among these four types of compound semiconductors, AlGaAsSb, Al, which is easy to control the composition and easy to obtain a good quality thin film,
InAsSb is preferred. In particular, when AlGaAsSb was used as the first compound semiconductor layer 2, the FET characteristics were the best.

【0061】第1の化合物半導体層2は、不純物をドー
プしない状態でも導電性を持つことがある。この場合、
電気伝導に寄与しているキャリアの効果を打ち消すため
に、電気伝導に寄与しているキャリアと逆の極性を有す
る不純物をドープすることもある。第1の化合物半導体
層2の厚さは自由に選んでよいが、製作上の制約から、
0.05〜3.0 μm が好ましい範囲である。より好ましく
は、0.1 〜2.0 μm 、さらに好ましくは0.1 〜1.0 μm
である。
The first compound semiconductor layer 2 may have conductivity even if it is not doped with impurities. in this case,
In order to cancel the effect of the carrier contributing to the electric conduction, an impurity having a polarity opposite to that of the carrier contributing to the electric conduction may be doped. The thickness of the first compound semiconductor layer 2 may be freely selected, but due to manufacturing restrictions,
0.05 to 3.0 μm is a preferable range. More preferably, 0.1 to 2.0 μm, even more preferably 0.1 to 1.0 μm
It is.

【0062】InAs層3 本発明の電子走行層であるInAs層3は、制御電極にかか
る電圧によって電気伝導を制御する都合上、厚さ0.2 μ
m 以下が好ましい。InAs層3は、ノンドープでもよい
が、不純物がドープされていても充分に高い電子移動度
が得られるため、必要に応じて不純物ドープすることも
可能である。ドープされるドナー不純物は、InAs中でド
ナー原子として作用する物ならなんでもよいが、Si,
S,Sn,Se,Teは特に好ましい不純物である。ドープさ
れる不純物の量は、5×1016/cm3〜5×1018/cm3であれ
ばよいが、好ましい範囲は、1×1017/cm3〜1×1018/c
m3であり、より好ましくは2×1017/cm3〜8×1017/cm3
である。不純物がドープされる位置は、InAs層3の厚さ
方向に均一でも良いが、他の化合物半導体層2,4との
界面付近を避け、膜の中央部のみドープすると、第1の
化合物半導体層2および第2の化合物半導体層4との界
面での伝導電子の散乱が低減でき好ましい。また、InAs
中のInは、In原子の総数の9%以内であればGaに置き換
えてもよい。この範囲であれば、InAs層3のInAsとの格
子定数の違いは0.6 %以下であり、第1の化合物半導体
2および第2の化合物半導体4と実質的に格子整合す
る。このため、InAsの特性を大きく損なうことなく、FE
T の耐圧を上げることができる。また、第1の化合物半
導体層2および第2の化合物半導体層4の格子定数が、
InAs層3のInAsの格子定数に対して、0.4 %以内である
場合は、Inと置き換えるGaの量を6%以内とすると、格
子不整合によるInAs層3の特性の劣化や、経時変化が低
減できる。さらに、より高い格子整合をとるために、格
子不整合を0.2 %とした場合は、Inと置き換えるGaの量
を3%以下にすると、格子不整合によるInAs層3の特性
劣化は、さらに小さくできる。
InAs Layer 3 The InAs layer 3 which is the electron transit layer of the present invention has a thickness of 0.2 μm for the purpose of controlling electric conduction by a voltage applied to the control electrode.
m or less is preferred. Although the InAs layer 3 may be non-doped, a sufficiently high electron mobility can be obtained even if an impurity is doped, so that the impurity can be doped if necessary. The donor impurity to be doped may be anything that acts as a donor atom in InAs.
S, Sn, Se, and Te are particularly preferred impurities. The amount of the impurity to be doped may be 5 × 10 16 / cm 3 to 5 × 10 18 / cm 3 , but a preferable range is 1 × 10 17 / cm 3 to 1 × 10 18 / c
m 3 , more preferably 2 × 10 17 / cm 3 to 8 × 10 17 / cm 3
It is. The position where the impurity is doped may be uniform in the thickness direction of the InAs layer 3. However, if the impurity is doped only in the center of the film while avoiding the vicinity of the interface with the other compound semiconductor layers 2 and 4, the first compound semiconductor layer This is preferable because scattering of conduction electrons at the interface with the second and second compound semiconductor layers 4 can be reduced. Also, InAs
In may be replaced with Ga if it is within 9% of the total number of In atoms. Within this range, the difference in lattice constant between the InAs layer 3 and InAs is 0.6% or less, and the first compound semiconductor 2 and the second compound semiconductor 4 are substantially lattice-matched. For this reason, FE can be obtained without significantly impairing the characteristics of InAs.
The withstand voltage of T can be increased. Also, the lattice constants of the first compound semiconductor layer 2 and the second compound semiconductor layer 4 are
If the lattice constant of InAs in the InAs layer 3 is within 0.4%, the amount of Ga to be replaced with In is set to 6% or less, and deterioration of the characteristics of the InAs layer 3 due to lattice mismatch and change with time are reduced. it can. Further, when the lattice mismatch is set to 0.2% in order to achieve higher lattice matching, if the amount of Ga replacing In is set to 3% or less, the characteristic deterioration of the InAs layer 3 due to the lattice mismatch can be further reduced. .

【0063】第2の化合物半導体層4 InAs層3の上部に形成される第2の化合物半導体層4
は、InAsと実質的に格子整合し、かつ、伝導電子をInAs
層中に閉じこめるのに適した障壁をInAs層3との界面に
形成するために、InAs層3よりも大きなバンドギャップ
を持つものが好ましい。さらに、第2の化合物半導体層
4の電子親和力が、InAs層3の電子親和力に比べて小さ
く、かつ、電子親和力とバンドギャップの和が、InAs層
3の電子親和力とバンドギャップの和に対して大きくな
る場合には、InAs層3の特性を損ねることがなく好まし
い。これらの要請は、第1の化合物半導体層2に対する
要請と共通である。
Second compound semiconductor layer 4 Second compound semiconductor layer 4 formed on InAs layer 3
Is substantially lattice-matched with InAs, and
In order to form a barrier suitable for being confined in the layer at the interface with the InAs layer 3, one having a larger band gap than the InAs layer 3 is preferable. Further, the electron affinity of the second compound semiconductor layer 4 is smaller than the electron affinity of the InAs layer 3, and the sum of the electron affinity and the band gap is smaller than the sum of the electron affinity and the band gap of the InAs layer 3. It is preferable that the thickness be large without impairing the characteristics of the InAs layer 3. These requests are common to the requests for the first compound semiconductor layer 2.

【0064】さらに、ショットキー接合を用いるFET で
は、第2の化合物半導体層4とゲート電極6とが良好な
ショットキー接合を形成することが必要である。一方、
第2の化合物半導体層4を絶縁性の障壁層として使うMI
S 型FET では、第2の化合物半導体層4は、良好な絶縁
膜となる材質が望ましい。これらの要請を満足する化合
物半導体であればなんでもよいが、なかでも、第1の化
合物半導体層2として用いた、Alx1Ga1-x1Asy1Sb1-y1
Alx2In1-x2Asy2Sb1-y2,Alx3In1-x3Py3Sb1-y3,Alx4Ga
1-x4Py4Sb1-y4は、特に好適である。また、その成分比
は、第1の化合物半導体層2と同様に定められる。良質
の薄膜が得やすいAlGaAsSb,AlInAsSbは特によい。第2
の化合物半導体層4の厚さは、50Å〜1,000 Åがよく、
ゲート電極6の形成後、第2の化合物半導体層4中に伝
導電子が存在しないような範囲であればよい。
Further, in the FET using the Schottky junction, it is necessary that the second compound semiconductor layer 4 and the gate electrode 6 form a good Schottky junction. on the other hand,
MI using the second compound semiconductor layer 4 as an insulating barrier layer
In the S-type FET, the second compound semiconductor layer 4 is desirably made of a material that becomes a good insulating film. Any compound semiconductor that satisfies these requirements may be used. Among them, Al x1 Ga 1-x1 Asy1 Sb 1-y1 , which is used as the first compound semiconductor layer 2,
Al x2 In 1-x2 As y2 Sb 1-y2 , Al x3 In 1-x3 P y3 Sb 1-y3 , Al x4 Ga
1- x4Py4Sb1 -y4 is particularly preferred. The component ratio is determined in the same manner as in the first compound semiconductor layer 2. AlGaAsSb and AlInAsSb, from which high quality thin films are easily obtained, are particularly good. Second
The thickness of the compound semiconductor layer 4 is preferably 50Å to 1,000 、,
After the formation of the gate electrode 6, the second compound semiconductor layer 4 only needs to have a range in which conduction electrons do not exist.

【0065】第2の化合物半導体層4にドナー不純物を
ドープして、InAs層3への電子供給層とする場合、ドー
プされるドナー不純物は、ドナー原子として作用する物
ならなんでもよいが、Te,Se,S,Si,Snは特に好まし
い不純物である。ドープされる不純物の量は、5×1016
/cm3〜5×1018/cm3であればよいが、好ましい範囲は1
×1017/cm3〜5×1018/cm3である。ドープされる位置
は、厚さ方向に均一でも良く、分布があっても良い。特
に、ゲート電極6が形成される側の界面近傍のみ、不純
物をドープしない構造にすると、ゲート耐圧が低下せず
良好である。また、InAs層3との界面近傍の第2の化合
物半導体層4には、不純物をドープしない構造にするこ
とによって、InAs層3中の伝導電子の不純物による散乱
を低減でき、FET の動作速度を高める上で好ましい。
When the second compound semiconductor layer 4 is doped with a donor impurity to form an electron supply layer to the InAs layer 3, the donor impurity to be doped is not limited as long as it acts as a donor atom. Se, S, Si and Sn are particularly preferred impurities. The amount of impurities to be doped is 5 × 10 16
/ cm 3 to 5 × 10 18 / cm 3 , but the preferred range is 1
× 10 17 / cm 3 to 5 × 10 18 / cm 3 . The doping position may be uniform in the thickness direction or may be distributed. In particular, a structure in which the impurity is not doped only in the vicinity of the interface on the side where the gate electrode 6 is formed is favorable without lowering the gate breakdown voltage. The second compound semiconductor layer 4 in the vicinity of the interface with the InAs layer 3 has a structure in which impurities are not doped, so that scattering of conduction electrons in the InAs layer 3 due to impurities can be reduced, and the operating speed of the FET can be reduced. It is preferable in increasing the value.

【0066】また、第2の化合物半導体層4はIII 属と
V属の元素からなる上記の化合物半導体に限らず、II属
とVI属の元素からなる化合物半導体でもよい。
Further, the second compound semiconductor layer 4 is not limited to the above-mentioned compound semiconductors composed of Group III and Group V elements, but may be a compound semiconductor composed of Group II and Group VI elements.

【0067】第1の化合物半導体層2と第2の化合物半
導体層4は、同じ組成の化合物半導体から形成すると、
製造工程が簡略化できるため好ましいが、異なる組成、
または、同一の組成で組成比の異なる化合物半導体を組
み合わせた構造でもよく、必要に応じて適宜実施され
る。
When the first compound semiconductor layer 2 and the second compound semiconductor layer 4 are formed from compound semiconductors having the same composition,
Although preferable because the manufacturing process can be simplified, different compositions,
Alternatively, a structure in which compound semiconductors having the same composition and different composition ratios may be combined may be used as appropriate.

【0068】ソース電極5、およびドレイン電極7 ソース電極5、およびドレイン電極7は、その下部のIn
As層3とオーミック接合をとる必要がある。オーミック
接合には、各種の構造があるが、図3の実施例では、In
As層3に電極を直接コンタクトする構造をとっている。
Source electrode 5 and drain electrode 7 Source electrode 5 and drain electrode 7
It is necessary to form an ohmic junction with the As layer 3. Although the ohmic junction has various structures, in the embodiment of FIG.
The electrode is in direct contact with the As layer 3.

【0069】InAs層3は、バンドギャップが狭く、電極
をコンタクトしただけで、接触抵抗の低いオーミック接
合が得られる。このため、オーミック電極5,6下部の
み、第2の化合物半導体層4をエッチングして、InAs層
3に電極を直接形成することができる。この場合、電極
5,7とInAs層3の間の接触抵抗を低減するために、合
金化工程を行っても良いが、蒸着しただけでも良好なオ
ーミック接合が得られる。このため、電極金属は、AuGe
/Ni/Auの3層構造をはじめとする公知の積層電極構造で
もよいが、Al,Ti,Au,Wなど単層の金属でもよく、極
めて多くの組み合わせが可能である。
The InAs layer 3 has a narrow band gap, and an ohmic junction with low contact resistance can be obtained only by contacting the electrodes. Therefore, the electrode can be directly formed on the InAs layer 3 by etching the second compound semiconductor layer 4 only under the ohmic electrodes 5 and 6. In this case, an alloying step may be performed to reduce the contact resistance between the electrodes 5, 7 and the InAs layer 3, but a good ohmic junction can be obtained only by vapor deposition. For this reason, the electrode metal is AuGe
A known laminated electrode structure including a three-layer structure of / Ni / Au may be used, or a single-layer metal such as Al, Ti, Au, and W may be used, and an extremely large number of combinations are possible.

【0070】ゲート電極6 図3に示すゲート電極6は、その下部に空乏層を形成で
きるものであればよく、ショットキー接合を用いる方法
の他、ゲート電極6とInAs層3の間に、絶縁物を挟んだ
MIS(METAL-INSULATOR-SEMICONDUCTOR)構造や、pn接合を
利用することもできる。特に、第2の化合物半導体4を
はじめとする半導体と、ショットキー接合を形成する材
料としては、Al,Ti,W,Pt,WSi, Au などが好まし
く、これらを積層構造にしたものもよい。
Gate Electrode 6 The gate electrode 6 shown in FIG. 3 may be any as long as a depletion layer can be formed underneath. In addition to a method using a Schottky junction, an insulating layer is provided between the gate electrode 6 and the InAs layer 3. Pinched things
An MIS (METAL-INSULATOR-SEMICONDUCTOR) structure or a pn junction can also be used. In particular, as a material for forming a Schottky junction with a semiconductor such as the second compound semiconductor 4, Al, Ti, W, Pt, WSi, Au, or the like is preferable, and a material having a stacked structure thereof may be used.

【0071】以上が本発明のFET における基本的層構造
であるが、InAs層3は、不純物をドープしても電子移動
度があまり低下せず、GaAs,InGaAs等に比べて高い電子
移動度を持つことから、InAs層3と第2の化合物半導体
層4のドナー不純物のドープの組み合わせ方により、3
種の異なる特徴をもつトランジスタが可能である。これ
らを、上記実施例の変形例1−3として説明する。
The basic layer structure of the FET of the present invention has been described above. The electron mobility of the InAs layer 3 does not decrease so much even when impurities are doped, and the InAs layer 3 has a higher electron mobility than GaAs, InGaAs or the like. Therefore, depending on the combination of the doping of the donor impurity of the InAs layer 3 and the second compound semiconductor layer 4,
Transistors with different characteristics are possible. These will be described as modified examples 1-3 of the above embodiment.

【0072】変形例1 第1のタイプは、図8に示すように、第2の化合物半導
体層4にはドナー不純物をドープせずに、絶縁性の障壁
層として用いるもので、後述の試作例1はこの変形例1
に属するものである。
Modification Example 1 In the first type, as shown in FIG. 8 , the second compound semiconductor layer 4 is used as an insulating barrier layer without being doped with a donor impurity. 1 is this first modification.
It belongs to

【0073】この場合、InAs層3は、ドナー不純物をド
ープしなくてもよいが、InAs層3の特性を落とさない範
囲であれば、ドナー不純物をドープしてもよい。このFE
Tでは、ゲート電極6が、不純物濃度の低い第2の化合
物半導体層4上に形成されることから、ゲート耐圧が高
く、かつ良好な整流性を持つゲート電極が形成できる。
また、InAs層3中で熱的に励起された真性の伝導電子
が、室温付近で1015/cm3〜1016/cm3であるのに対して、
ドナー不純物から発生した伝導電子は、1017/cm3〜1018
/cm3と高濃度である。このため、FET の使用環境温度の
変化に対する、FET 特性の変動の小さいFET となる。
In this case, the InAs layer 3 need not be doped with a donor impurity, but may be doped with a donor impurity as long as the characteristics of the InAs layer 3 are not deteriorated. This FE
In T, since the gate electrode 6 is formed on the second compound semiconductor layer 4 having a low impurity concentration, a gate electrode having a high gate breakdown voltage and good rectification can be formed.
In addition, while intrinsic conduction electrons thermally excited in the InAs layer 3 are around 10 15 / cm 3 to 10 16 / cm 3 near room temperature,
The conduction electrons generated from the donor impurities are 10 17 / cm 3 to 10 18
/ cm 3 and high concentration. For this reason, the FET has a small variation in the FET characteristics with respect to a change in the ambient temperature of the FET.

【0074】[0074]

【0075】[0075]

【0076】[0076]

【0077】[0077]

【0078】変形例4第2の化合物半導体層4は、ノンドープとする。 InAs層
3の厚さが、量子準位の形成される程度の厚さになる
と、図9に示すバンド図のように、InAs層3中の伝導電
子のエネルギーレベル30が量子化され、いわゆる量子準
位が形成される。このため、素子の使用環境温度が変動
しても、InAs層3の抵抗値の変動が少なくなり、量子準
位を形成しないものに比べ、温度特性に優れたFET が可
能となる。
Modification 4 The second compound semiconductor layer 4 is non-doped. When the thickness of the InAs layer 3 is such that a quantum level is formed, the energy level 30 of the conduction electrons in the InAs layer 3 is quantized as shown in the band diagram of FIG. A level is formed. For this reason, even if the use environment temperature of the element fluctuates, the fluctuation of the resistance value of the InAs layer 3 is reduced, and an FET having excellent temperature characteristics can be realized as compared with an FET that does not form a quantum level.

【0079】さらに、InAs層3中を流れる伝導電子が散
乱を受けにくくなるため、高速動作にも適したトランジ
スタとなる。しかも、バンドギャップが狭いInAs層3を
電子走行層としていながら、離散的な量子準位の効果に
より、実質的にバンドギャップが広くなったのと同等の
効果がある。このため、トランジスタの耐圧を増すこと
ができる。
Further, since the conduction electrons flowing in the InAs layer 3 are hardly scattered, the transistor is suitable for high-speed operation. Moreover, while the InAs layer 3 having a narrow band gap is used as the electron transit layer, the effect of the discrete quantum level has substantially the same effect as an increase in the band gap. Therefore, the withstand voltage of the transistor can be increased.

【0080】こうした特性を得るためには、InAs層3の
膜厚を400Å以下にすることが好ましい。特に、200 Å
以下にすると、量子準位による効果はより顕著となる。
In order to obtain such characteristics, the thickness of the InAs layer 3 is preferably set to 400 ° or less. In particular, 200 Å
In the following, the effect by the quantum level becomes more remarkable.

【0081】量子井戸の材料としてのInAsは、GaAs,Si
に比べ電子の有効質量が小さいため、量子井戸の幅が広
くても、量子準位を形成しやすい。化合物半導体の格子
定数は、通常、5〜6Åであるが、薄膜成長の段階で、
1原子層程度の表面段差が生じることがあっても、量子
井戸の厚さが厚いため、段差の影響が小さく抑えられ
る。また、InAsでは、量子井戸幅が広くとれるため、量
子井戸を電子走行層としながらも、大きなコンダクタン
スを得ることができる。試作例4は、この変形例4に属
するもので、InAs層3を100 Åにした量子効果型FET の
一例である。
InAs as the material of the quantum well is GaAs, Si
Since the effective mass of electrons is smaller than that of the above, a quantum level is easily formed even if the width of the quantum well is wide. The lattice constant of the compound semiconductor is usually 5 to 6 °, but at the stage of thin film growth,
Even if a surface step of about one atomic layer may occur, the influence of the step can be suppressed to a small size because the thickness of the quantum well is large. Further, in InAs, since the width of the quantum well can be widened, a large conductance can be obtained while using the quantum well as an electron transit layer. Prototype Example 4 belongs to Modification Example 4 and is an example of a quantum effect type FET in which the InAs layer 3 has a thickness of 100 °.

【0082】次に、ソース電極5およびドレイン電極7
の変形例について説明する。
Next, the source electrode 5 and the drain electrode 7
A modified example will be described.

【0083】変形例5 ソース電極5およびドレイン電極7は、図10に示すよう
に、InAs層3上の第2の化合物半導体層4を介して、In
As層3とオーミック接触をとる構造でもよい。この構造
は、次の方法によって形成される。すなわち、電極5,
7とInAs層3間のオーミック接触を得るために、合金化
アニールを行い、電極材料を拡散して、不純物が高濃度
にドープされた領域54,74を形成するか、あるいは、電
極5,7下部の領域54, 74のみに、ドナー不純物をイオ
ン注入し、接触抵抗を下げる。
Modification 5 As shown in FIG. 10, the source electrode 5 and the drain electrode 7 are formed through the second compound semiconductor layer 4 on the InAs
A structure that makes ohmic contact with the As layer 3 may be used. This structure is formed by the following method. That is, the electrodes 5,
In order to obtain an ohmic contact between the InAs layer 7 and the InAs layer 3, alloying annealing is performed to diffuse the electrode material to form the heavily doped regions 54 and 74, or Donor impurities are ion-implanted only in the lower regions 54 and 74 to lower the contact resistance.

【0084】変形例6 図11に示すように、ソース電極5およびドレイン電極7
とInAs層3との間に、より接触抵抗の低いオーミック接
触を形成するために、コンタクト層50, 70を形成する技
術もある。
Modification 6 As shown in FIG. 11, the source electrode 5 and the drain electrode 7
In order to form an ohmic contact with lower contact resistance between the InAs layer 3 and the InAs layer 3, there is a technique of forming contact layers 50 and 70.

【0085】コンタクト層50, 70は、ドナー不純物のド
ープされたGaAs,GaAsSb,InGaAs,InAs,InSbなどが好
ましく、厚さは500 Å以下ならよいが、100 Å〜300 Å
は特に好適である。また、コンタクト層50, 70にドープ
されるドナー不純物は、コンタクト層中でドナー原子と
して作用する物ならなんでもよいが、Si,S,Sn,Se,
Teは特に良好な不純物である。ドープされる不純物の量
は、コンタクト層50,70の材質によっても異なるが、5
×1017/cm3〜1019/cm3は好ましい範囲である。
The contact layers 50 and 70 are preferably made of GaAs, GaAsSb, InGaAs, InAs, InSb or the like doped with a donor impurity, and the thickness may be 500 Å or less, but is preferably 100 300 to 300 Å.
Is particularly preferred. The donor impurities doped in the contact layers 50 and 70 may be anything as long as they act as donor atoms in the contact layers, but may be Si, S, Sn, Se,
Te is a particularly good impurity. The amount of impurities to be doped varies depending on the material of the contact layers 50 and 70,
× 10 17 / cm 3 to 10 19 / cm 3 is a preferable range.

【0086】次に、ゲート電極6の変形例について説明
する。
Next, a modification of the gate electrode 6 will be described.

【0087】変形例7 ゲート電極6の材料として、W,WSi 等の高融点金属を
使った場合は、図12に示すように、半導体層4,3の、
ゲート電極6の下部を除く領域55, 75に、ドナー不純物
をイオン注入して、ゲート電極6の周辺領域55, 75を低
抵抗化したセルフアラインメント構造をとることができ
る。この構造では、ソース電極5とゲート電極6間、お
よびゲート電極6とドレイン電極7間の寄生抵抗を減ら
すことができる。さらに、寄生抵抗のばらつきも極めて
小さく抑えることができる。
Modification Example 7 When a high melting point metal such as W or WSi is used as the material of the gate electrode 6, as shown in FIG.
Donor impurities are ion-implanted into the regions 55 and 75 excluding the lower portion of the gate electrode 6, so that the peripheral regions 55 and 75 of the gate electrode 6 can have a self-aligned structure in which the resistance is reduced. With this structure, the parasitic resistance between the source electrode 5 and the gate electrode 6 and between the gate electrode 6 and the drain electrode 7 can be reduced. Further, the variation in the parasitic resistance can be extremely suppressed.

【0088】イオン注入する不純物は、第2の化合物半
導体層4とInAs層3で、ドナー不純物となる不純物であ
れば何でもよい。特に、S,Se,Sn,Siなどは好適であ
る。注入される不純物の濃度は、3×1017/cm3〜1×10
19/cm3が好ましい範囲である。
The impurity to be ion-implanted may be any impurity as long as it is a donor impurity in the second compound semiconductor layer 4 and the InAs layer 3. Particularly, S, Se, Sn, Si and the like are preferable. The concentration of the impurity to be implanted is 3 × 10 17 / cm 3 to 1 × 10
19 / cm 3 is a preferred range.

【0089】ゲート電極6は、図3に示すように、第2
の化合物半導体層4上に直接形成してもよいが、第2の
化合物半導体層4上に形成した他の層上に形成してもよ
い。
The gate electrode 6, as shown in FIG.
May be formed directly on the compound semiconductor layer 4, or on another layer formed on the second compound semiconductor layer 4.

【0090】変形例8 図13に示すように、ゲート電極6の下部に、第2の化合
物半導体層4に引き続いて、大気に触れることなくInA
s,InSbといった、バンドギャップの狭い半導体からな
るゲート電極下部導電層61を形成する。この構造では、
ゲート電極下部導電層61と第2の化合物半導体層4の界
面に酸化膜がなく、界面準位の少ない理想的な界面が得
られる。一方、ゲート電極6とゲート電極下部導電層61
とはオーミック接合するため、ゲート電極下部導電層61
と第2の化合物半導体層4との間の障壁により、ゲート
電極6と第2の化合物半導体層4とをショットキー接合
したのと同等となる。
Modification 8 As shown in FIG. 13, the InA is formed below the gate electrode 6 following the second compound semiconductor layer 4 without being exposed to the air.
A gate electrode lower conductive layer 61 made of a semiconductor having a narrow band gap such as s or InSb is formed. In this structure,
There is no oxide film at the interface between the gate electrode lower conductive layer 61 and the second compound semiconductor layer 4, and an ideal interface with few interface states can be obtained. On the other hand, the gate electrode 6 and the gate electrode lower conductive layer 61
To form an ohmic junction with the gate electrode lower conductive layer 61
The barrier between the gate electrode 6 and the second compound semiconductor layer 4 is equivalent to a Schottky junction between the gate electrode 6 and the second compound semiconductor layer 4.

【0091】変形例9 図14に示すように、第2の化合物半導体層4がゲート電
極6と接合する箇所において、第2の化合物半導体層4
の上にリセス構造12を形成すると、FET の耐圧を上げる
ことができる。リセス構造12は、第2の化合物半導体層
4に接してゲート電極6を配置する場合に限らず、ゲー
ト電極6の配置される他の層に形成してもよい。
Modification 9 As shown in FIG. 14, at the place where the second compound semiconductor layer 4 is joined to the gate electrode 6, the second compound semiconductor layer 4
When the recess structure 12 is formed on the substrate, the withstand voltage of the FET can be increased. The recess structure 12 is not limited to the case where the gate electrode 6 is arranged in contact with the second compound semiconductor layer 4, but may be formed in another layer where the gate electrode 6 is arranged.

【0092】挿入層、保護膜などを備えた変形例 変形例10 本発明のFET では、第1の化合物半導体層2を直接基板
1上に積層し、その上に、InAs層3を形成した単純な構
造でも、良質なInAs層3を形成できる。しかしながら、
本発明によるFET では、各層間に他の半導体層を挿入し
て、FET の特性を向上させることも可能である。図15
(a) に示す例を使って、各種挿入層の説明をする。
Modification with Insertion Layer, Protective Film, etc. Modification 10 In the FET of the present invention, the first compound semiconductor layer 2 is directly laminated on the substrate 1 and the InAs layer 3 is formed thereon. Even with a simple structure, a high-quality InAs layer 3 can be formed. However,
In the FET according to the present invention, it is possible to improve the characteristics of the FET by inserting another semiconductor layer between the respective layers. Fig. 15
Various insertion layers will be described using the example shown in FIG.

【0093】この図のFET は、基板1の表面に、基板1
の材質とは異なる第1の半導体挿入層21を有し、第1の
化合物半導体層2とInAs層3の間に第2の半導体挿入層
22を、また、InAs層3と第2の化合物半導体層4との間
に第3の半導体挿入層41を有している。これらの半導体
挿入層を入れることにより、ホール電流の低減、および
トランジスタのコンダクタンスの向上を図ることができ
る。
The FET shown in FIG.
And a second semiconductor insertion layer 21 between the first compound semiconductor layer 2 and the InAs layer 3.
22 and a third semiconductor insertion layer 41 between the InAs layer 3 and the second compound semiconductor layer 4. By incorporating these semiconductor insertion layers, hole current can be reduced and the conductance of the transistor can be improved.

【0094】第2および第3の半導体挿入層22, 41は、
InAs層3中に伝導電子をより効率的に閉じこめるため
に、電子走行層であるInAs層3と接して配置される。こ
のため、InAsよりも広いバンドギャップを持つ半導体か
ら選ばれ、半導体挿入層22, 41に用いた半導体の電子親
和力が、InAs層3の電子親和力よりも小さく、かつ、電
子親和力とバンドギャップとの和が、InAs層3の電子親
和力とバンドギャップとの和よりも大きくなる半導体層
が好ましい。なかでも、AlSb,AlGaSb,InAlAsは、特に
好適である。
The second and third semiconductor insertion layers 22 and 41 are
In order to more efficiently confine conduction electrons in the InAs layer 3, it is disposed in contact with the InAs layer 3 which is an electron transit layer. For this reason, it is selected from semiconductors having a band gap wider than InAs, and the electron affinity of the semiconductor used for the semiconductor insertion layers 22 and 41 is smaller than the electron affinity of the InAs layer 3 and the difference between the electron affinity and the band gap. A semiconductor layer whose sum is larger than the sum of the electron affinity and the band gap of the InAs layer 3 is preferable. Among them, AlSb, AlGaSb, and InAlAs are particularly suitable.

【0095】挿入された各半導体層21, 22および41は、
InAs層3のInAsとは格子定数が異なるため、特定の膜厚
よりも厚くすると、格子不整合による転位が生じてしま
う。このため、InAs層3の特性が低下することがある。
したがって、半導体挿入層21, 22および41の厚さは、こ
うした格子不整合による転位の生じない膜厚、すなわ
ち、臨界膜厚の範囲が好ましい。臨界膜厚は、挿入され
る半導体の材質によって異なるが、AlSbの場合であれ
ば、InAs層3との組み合わせで、約160 Åとなる。
The inserted semiconductor layers 21, 22 and 41 are:
Since the lattice constant of InAs layer 3 is different from that of InAs, if the thickness is larger than a specific thickness, dislocation due to lattice mismatch occurs. Therefore, the characteristics of the InAs layer 3 may be deteriorated.
Therefore, the thickness of the semiconductor insertion layers 21, 22, and 41 is preferably a thickness that does not cause dislocation due to such lattice mismatch, that is, a range of the critical thickness. The critical film thickness varies depending on the material of the semiconductor to be inserted. In the case of AlSb, the critical film thickness is about 160 ° in combination with the InAs layer 3.

【0096】また、図15(b) に示すように、ゲート電極
6の下部に接して、絶縁体層62を形成することもある。
Further, as shown in FIG. 15B, an insulator layer 62 may be formed in contact with the lower part of the gate electrode 6.

【0097】変形例11 本発明において、第1の化合物半導体層2、および第2
の化合物半導体層4として用いられる半導体は、GaAsや
InAs等の半導体に比べて酸化しやすい。このような化合
物半導体層の酸化によるFET 特性の経時変化を低減する
ために、通常の半導体デバイスで用いられるパッシベー
ション層とは別に、酸化防止のための層を形成すると好
ましい。
Modification 11 In the present invention, the first compound semiconductor layer 2 and the second
The semiconductor used as the compound semiconductor layer 4 is GaAs or
It is easier to oxidize than semiconductors such as InAs. In order to reduce such a change in FET characteristics with time due to oxidation of the compound semiconductor layer, it is preferable to form a layer for preventing oxidation separately from a passivation layer used in a normal semiconductor device.

【0098】まず、図15(a) に示すような第4の半導体
挿入層42を、第2の化合物半導体層4の上に形成する
と、第2の化合物半導体層4は、大気との接触から保護
されるため、酸化による特性劣化の問題が生じにくくな
る。第4の半導体挿入層42は、酸化しにくい半導体であ
ればよいが、GaAs,GaSb,GaAsSbが特に好ましい。厚さ
は、50〜1,000 Åが適当である。特に、100 Å〜700 Å
は最適な厚さである。
First, when a fourth semiconductor insertion layer 42 as shown in FIG. 15 (a) is formed on the second compound semiconductor layer 4, the second compound semiconductor layer 4 comes into contact with the atmosphere. Because of the protection, the problem of characteristic deterioration due to oxidation hardly occurs. The fourth semiconductor insertion layer 42 may be any semiconductor that does not easily oxidize, but GaAs, GaSb, and GaAsSb are particularly preferable. The appropriate thickness is 50 to 1,000 mm. In particular, 100Å-700Å
Is the optimal thickness.

【0099】変形例12 FET では、ソース−ドレイン間電流は、ゲート電極6に
印加される電圧によって制御される。このため、InAs層
3を、電気的に不活性な領域と、FET の電子走行層とな
るべき活性領域11とに分離する必要がある。この分離方
法として、メサ構造を形成する方法と、活性領域11以外
を不導体化する方法とがある。
Modification 12 In the FET, the current between the source and the drain is controlled by the voltage applied to the gate electrode 6. For this reason, it is necessary to separate the InAs layer 3 into an electrically inactive region and an active region 11 to be an electron transit layer of the FET. As the separation method, there are a method of forming a mesa structure and a method of making the area other than the active region 11 nonconductive.

【0100】メサ構造によって、活性領域11を形成する
場合は、酸、またはアルカリをベースとした、液体によ
るエッチング、あるいは気体によるエッチングが用いら
れる。
When the active region 11 is formed by the mesa structure, etching with a liquid or etching with a gas based on an acid or an alkali is used.

【0101】一方、第2の化合物半導体層4、およびIn
As層3を不導体化する場合は、イオン注入、電子線照射
など、通常の方法が用いられる。この不要部分を不導体
化する構造は、メサ構造と異なり、断面を持たないた
め、ゲートリークや酸化といった問題が起きにくい。
On the other hand, the second compound semiconductor layer 4 and In
When the As layer 3 is made nonconductive, a normal method such as ion implantation or electron beam irradiation is used. Unlike the mesa structure, the structure in which the unnecessary portion is made nonconductive has no cross section, so that problems such as gate leak and oxidation hardly occur.

【0102】メサ構造、すなわち、不要部分をエッチン
グにより除去し、必要な部分だけ台地状に残した構造で
は、次のような不都合が生じることがある。すなわち、
第1の化合物半導体2および第2の化合物半導体層4の
大気に触れている面が酸化し、トランジスタ特性の劣化
につながることがある。また、メサ構造の断面に露出し
たInAs層3が、ゲート電極6と接触しただけでオーミッ
ク接合するため、ゲート電極6からInAs層3へのリーク
電流が発生することもある。
In the mesa structure, that is, a structure in which an unnecessary portion is removed by etching and only a necessary portion is left in a plateau shape, the following inconvenience may occur. That is,
The surfaces of the first compound semiconductor 2 and the second compound semiconductor layer 4 that are exposed to the air may be oxidized, which may lead to deterioration of transistor characteristics. In addition, the InAs layer 3 exposed in the cross section of the mesa structure forms an ohmic junction only by contacting with the gate electrode 6, so that a leak current from the gate electrode 6 to the InAs layer 3 may occur.

【0103】図16(b) に示す側壁9は、このような不都
合を防止するためのものである。側壁9は、絶縁性ある
いは半絶縁性の材質から形成され、InAs層3とゲート電
極6が直接接することがないようにする。これによっ
て、ゲート電極6からInAs層3へのリーク電流を防ぐこ
とができる。そのうえ、メサ構造の断面が覆われるた
め、第1の化合物半導体層2,第2の化合物半導体層4
の酸化を防止することもできる。
The side wall 9 shown in FIG. 16B is for preventing such inconvenience. The side wall 9 is formed of an insulating or semi-insulating material so that the InAs layer 3 and the gate electrode 6 do not come into direct contact. Thereby, a leak current from the gate electrode 6 to the InAs layer 3 can be prevented. In addition, since the cross section of the mesa structure is covered, the first compound semiconductor layer 2 and the second compound semiconductor layer 4 are covered.
Can also be prevented from being oxidized.

【0104】図16(a) はFET の平面図、図16(b) は図16
(a) におけるA-B 線断面図、図16(c) は図16(a) におけ
るC-D 線断面図である。これらの図は、側壁9がメサ構
造の断面を覆うように形成されており、InAs層3とゲー
ト電極6が直接接していない様子を示している。
FIG. 16A is a plan view of the FET, and FIG.
16A is a cross-sectional view taken along the line AB, and FIG. 16C is a cross-sectional view taken along the CD line in FIG. These figures show a state in which the side wall 9 is formed so as to cover the cross section of the mesa structure, and the InAs layer 3 and the gate electrode 6 are not in direct contact.

【0105】側壁9の材質は、絶縁性の半導体、もしく
は、半導体の保護膜として通常用いられる、SiNX,Si
O2,SiOXNy,Al2O3 等がよい。なかでも、SiNX,SiOXNy
は特に好適である。
The material of the side wall 9 is SiN x , Si which is usually used as an insulating semiconductor or a semiconductor protective film.
O 2 , SiO X N y , Al 2 O 3 and the like are preferable. Among them, SiN X , SiO X N y
Is particularly preferred.

【0106】変形例13 図17は、第1および第2の化合物半導体層の酸化による
FET の特性劣化を小さくするために、第1の保護膜81お
よび第2の保護膜82を、素子の表面に設けた例である。
第1の保護膜81は、第1の化合物半導体層2の上面で、
かつ、活性領域11が形成されていない部分に、SiNX,Si
O2,Al2O3 等の絶縁体を用いて形成した。また、第2の
保護膜82は、活性領域11における第2の化合物半導体層
4の上面、あるいは第4の半導体挿入層42の上面で、電
極5,6および7以外の部分に形成した。第1の保護膜
81と第2の保護膜82は、同一の膜からなる場合もある
が、別々に形成してもよい。また第1の保護膜81,第2
の保護膜82と側壁9は同一の絶縁膜を、反応性イオンエ
ッチングを用いた異方性エッチングによって、除去して
形成することもできる。このため、プロセスが容易とな
る利点もある。
Modification 13 FIG. 17 shows the result of oxidation of the first and second compound semiconductor layers.
This is an example in which a first protective film 81 and a second protective film 82 are provided on the surface of the element in order to reduce the deterioration of the characteristics of the FET.
The first protective film 81 is formed on the upper surface of the first compound semiconductor layer 2,
In the area where the active region 11 is not formed, SiN x , Si
It was formed using an insulator such as O 2 and Al 2 O 3 . The second protective film 82 was formed on the upper surface of the second compound semiconductor layer 4 in the active region 11 or on the upper surface of the fourth semiconductor insertion layer 42 except for the electrodes 5, 6, and 7. First protective film
The 81 and the second protective film 82 may be formed of the same film, but may be formed separately. The first protective film 81 and the second
The protective film 82 and the side wall 9 can be formed by removing the same insulating film by anisotropic etching using reactive ion etching. Therefore, there is an advantage that the process is easy.

【0107】その他の一般的応用構造 本発明のFET は、同一基板上に多数集積することも可能
である。また、基板と電子走行層とが同一の半導体材料
で構成されているトランジスタと、同一基板上に形成し
てもよい。特に、高速動作を特徴とする本発明のInAs-F
ETと、同一基板上に形成されたGaAs-FETとを集積化した
構造は好ましい。
Other General Application Structures A large number of FETs of the present invention can be integrated on the same substrate. Alternatively, the transistor and the transistor in which the substrate and the electron transit layer are formed of the same semiconductor material may be formed on the same substrate. In particular, the InAs-F of the present invention characterized by high-speed operation
A structure in which ET and a GaAs-FET formed on the same substrate are integrated is preferable.

【0108】[試作例1]図8 に示す第2の化合物半導体層4を絶縁層の障壁層と
したFET の試作例を説明する。
[Trial Production Example 1] A trial production example of an FET using the second compound semiconductor layer 4 shown in FIG. 8 as a barrier layer of an insulating layer will be described.

【0109】厚さ350 μm の鏡面研磨した(100) 面の半
絶縁性GaAs基板を基板1として使用した。該基板1上に
第1の化合物半導体層2として、InAsに格子整合したノ
ンドープのAl0.8Ga0.2As0.14Sb0.86層を8,000 Å、ドナ
ー不純物としてのSiが2×1017/cm3ドープされたInAs層
3を700 Å、ついで、第2の化合物半導体層4として、
ノンドープのAl0.8Ga0.2As0.14Sb0.86層を400 Å、それ
ぞれ分子線エピタキシー法により順次形成した。次に、
フォトリソグラフィー法により、GaAs基板1上に形成し
た積層薄膜の不要部を除去し、素子の電子走行部分を製
作するためのレジストパターンを形成した。次にH2SO
4 : H2O2系エッチング液によりエッチングを行い、メサ
構造による活性領域11を形成した。ついで、レジストパ
ターンを形成した後、NH4OH : H2O2系エッチング液によ
り、ソース電極5およびドレイン電極7下部のAlGaAsSb
層4のみエッチングし、InAs層3の表面を出した。引き
続いて真空蒸着法により、AuGe(Au:Ge=88:12)層5
1,71 を2,000 Å、Ni層52, 72を500 Å、Au層53, 73を
3,500 Å連続蒸着した。次にリフトオフを行い、3層5
1, 52, 53および71, 72, 73からなるソース電極5,ド
レイン電極7のパターンを形成し、InAs層3とのオーミ
ック接合を得た。さらに、ゲート電極6のレジストパタ
ーンを形成した後、ウエハー全面に3,000 ÅのAlを蒸着
し、リフトオフを行って、ゲート電極6を形成した。つ
いで、ダイシングを行い、個別の素子に切り離した。こ
うして、図8(a)に示した本発明のFET を製作した。ま
た、この素子は、通常の組立工程によりリード線がつけ
られ、パッケージされた。
A mirror-polished (100) plane semi-insulating GaAs substrate having a thickness of 350 μm was used as the substrate 1. On the substrate 1, a non-doped Al 0.8 Ga 0.2 As 0.14 Sb 0.86 layer lattice-matched to InAs as a first compound semiconductor layer 2 was doped at 8,000 ° and Si as a donor impurity was doped at 2 × 10 17 / cm 3 . 700 nm of the InAs layer 3 and then a second compound semiconductor layer 4
Non-doped Al 0.8 Ga 0.2 As 0.14 Sb 0.86 layers were sequentially formed by molecular beam epitaxy at 400 μm. next,
Unnecessary portions of the laminated thin film formed on the GaAs substrate 1 were removed by photolithography to form a resist pattern for manufacturing an electron transit portion of the device. Then H 2 SO
4 : Etching was performed with an H 2 O 2 based etchant to form an active region 11 having a mesa structure. Next, after forming a resist pattern, the AlGaAsSb under the source electrode 5 and the drain electrode 7 is etched with an NH 4 OH: H 2 O 2 etching solution.
Only the layer 4 was etched to expose the surface of the InAs layer 3. Subsequently, an AuGe (Au: Ge = 88: 12) layer 5 is formed by a vacuum evaporation method.
1,71 for 2,000 mm, Ni layers 52, 72 for 500 mm, Au layers 53, 73
3,500 Å continuous evaporation. Then lift off, 3 layers 5
A pattern of source electrode 5 and drain electrode 7 composed of 1, 52, 53 and 71, 72, 73 was formed, and an ohmic junction with the InAs layer 3 was obtained. Further, after forming a resist pattern for the gate electrode 6, 3,000 Al of Al was deposited on the entire surface of the wafer, and lift-off was performed to form the gate electrode 6. Then, dicing was performed to separate the individual elements. Thus, the FET of the present invention shown in FIG. 8A was manufactured. The device was packaged with leads through a normal assembly process.

【0110】[0110]

【0111】[0111]

【0112】[0112]

【0113】[試作例4]図3に示す本発明のFET にお
いて、InAs層3の厚さが100 Åで、InAs層3中に量子準
位が形成された量子効果型FET の試作例を説明する。In
As層3中にはドナー不純物としてSiがドープされてい
る。
[Trial Example 4] In the FET of the present invention shown in FIG. 3, an example of a quantum effect type FET in which the InAs layer 3 has a thickness of 100 mm and a quantum level is formed in the InAs layer 3 will be described. I do. In
The As layer 3 is doped with Si as a donor impurity.

【0114】厚さ350 μm の鏡面研磨した(100) 面の半
絶縁性GaAs基板を基板1として使用し、該基板上に第1
の化合物半導体層2として、InAsに格子整合したノンド
ープのAl0.8Ga0.2As0.14Sb0.86層を8,000 Å、ドナー不
純物としてSiが2×1017/cm3ドープされたInAs層3を10
0 Å、ついで、第2の化合物半導体層4としてノンドー
プのAl0.8Ga0.2As0.14Sb0.16層を400 Å、それぞれ分子
線エピタキシー法により順次形成した。以下、試作例1
〜3と同様にして、図9に示すような量子効果型FET を
製作した。
A mirror-polished (100) plane semi-insulating GaAs substrate having a thickness of 350 μm was used as a substrate 1, and a first
As the compound semiconductor layer 2, a non-doped Al 0.8 Ga 0.2 As 0.14 Sb 0.86 layer lattice-matched to InAs is 8,000 mm, and an InAs layer 3 doped with 2 × 10 17 / cm 3 Si as a donor impurity is 10
Next, a non-doped Al 0.8 Ga 0.2 As 0.14 Sb 0.16 layer was formed as the second compound semiconductor layer 4 at 400 そ れ ぞ れ by a molecular beam epitaxy method. Below, prototype example 1
A quantum effect type FET as shown in FIG.

【0115】[試作例5] 図18に示した構造のFET の試作例を説明する。本試作例
では、第2の化合物半導体層4,InAs層3は、ノンドー
プである。また、第4の半導体挿入層42として、GaAs
Sbが形成されている。
[Trial Production Example 5] A trial production example of the FET having the structure shown in FIG. 18 will be described. In this prototype example, the second compound semiconductor layer 4 and the InAs layer 3 are non-doped.
It is . GaAs is used as the fourth semiconductor insertion layer 42.
Sb is formed.

【0116】厚さ350 μm の鏡面研磨した(100) 面の半
絶縁性GaAs基板1上に、第1の化合物半導体層2とし
て、InAsに格子整合したノンドープのAl0.7Ga0.3As0.15
Sb0.85層を8,000 Å形成し、続いて不純物のドープされ
ていないInAs層3を200 Å、さらに、第2の化合物半導
体層4としてノンドープの500 ÅのAl0.7Ga0.3As0.15Sb
0.85層を、それぞれ分子線エピタキシー法により順次形
成した。最後に第4の半導体挿入層42として、不純物
のドープされていないGaAs0.15Sb0.85層を200 Å形成し
た。次に、フォトリソグラフィー法により、GaAs基板上
に形成した積層薄膜の不要部を除去し、活性領域11を製
作するためのレジストパターンを形成した。次にH3PO
4 : H2O2系エッチング液によりエッチングを行い、メサ
構造による活性領域11を形成した。次にプラズマCVD 法
により3,000 ÅのSiN を形成した後、反応性イオンエッ
チング装置を使って、側壁9の部分以外をエッチングし
て除去した。次に、オーミック電極用のレジストパター
ンを形成した後、NH4OH : H2O2系エッチング液により、
ソース電極5およびドレイン電極7下部のGaAsSb(第4
半導体挿入層42)およびAlGaAsSb(第2の化合物半導体
層4)のみエッチングし、InAs層3の表面を出した。さ
らに、真空蒸着法により、Tiを1,500 Å、Auを2,500 Å
連続蒸着した。次にリフトオフを行い、ソース電極5、
ドレイン電極7を形成した。さらに、ゲート電極6のレ
ジストパターンを形成し、NH4OH : H2O2系エッチン
グ液により、第4の半導体挿入層42であるGaAsSbをエッ
チングした後、Alを全面に蒸着し、リフトオフ法により
ゲート電極6を形成した。ついで、ダイシングを行い、
個別の素子に切り離した。こうして図18に示したFET を
製作した。
A non-doped Al 0.7 Ga 0.3 As 0.15 lattice-matched to InAs was formed as a first compound semiconductor layer 2 on a mirror-polished (100) plane semi-insulating GaAs substrate 1 having a thickness of 350 μm.
An Sb 0.85 layer is formed to 8,000 Å, followed by a 200 をnon-doped InAs layer 3 and a non-doped 500 Al Al 0.7 Ga 0.3 As 0.15 Sb as the second compound semiconductor layer 4.
0.85 layers were sequentially formed by the molecular beam epitaxy method. Finally, as a fourth semiconductor insertion layer 42, a GaAs 0.15 Sb 0.85 layer not doped with impurities was formed to a thickness of 200 nm. Next, unnecessary portions of the laminated thin film formed on the GaAs substrate were removed by photolithography, and a resist pattern for manufacturing the active region 11 was formed. Then H 3 PO
4 : Etching was performed with an H 2 O 2 based etchant to form an active region 11 having a mesa structure. Next, after 3,000 Å of SiN was formed by the plasma CVD method, portions other than the side wall 9 were removed by etching using a reactive ion etching apparatus. Next, after forming a resist pattern for the ohmic electrode, an NH 4 OH: H 2 O 2 based etchant is used.
GaAsSb under the source electrode 5 and the drain electrode 7 (fourth
Only the semiconductor insertion layer 42) and AlGaAsSb (second compound semiconductor layer 4) were etched to expose the surface of the InAs layer 3. Furthermore, by vacuum evaporation, 1,500 を of Ti and 2,500Å of Au
Continuous vapor deposition. Next, lift-off is performed, and the source electrode 5,
The drain electrode 7 was formed. Further, a resist pattern of the gate electrode 6 is formed, and GaAsSb, which is the fourth semiconductor insertion layer 42, is etched with an NH4OH: H2O2 type etching solution. did. Then, dicing,
Separated into individual elements. Thus, the FET shown in FIG. 18 was manufactured.

【0117】[試作例6] 図19に示した本発明の別の試作例を説明する。本試作例
は、第2の化合物半導体層4はノンドープである。InAs
層3は、ドナー不純物がドープされ、InAs層3中のドナ
ー不純物から発生した伝導電子と、第2の化合物半導体
層4から供給された伝導電子とがInAs層3中に存在して
いる。また、第2の半導体挿入層22、第3の半導体挿入
層41、第4の半導体挿入層42のほか、コンタクト層50,
70、第1の保護膜81、第2の保護膜82、側壁9も形成さ
れた例である。
[Trial Production Example 6] Another trial production example of the present invention shown in FIG. 19 will be described. In this prototype, the second compound semiconductor layer 4 is non-doped. InAs
The layer 3 is doped with a donor impurity, and conduction electrons generated from the donor impurity in the InAs layer 3 and conduction electrons supplied from the second compound semiconductor layer 4 exist in the InAs layer 3. In addition to the second semiconductor insertion layer 22, the third semiconductor insertion layer 41, and the fourth semiconductor insertion layer 42, the contact layer 50,
This is an example in which 70, a first protective film 81, a second protective film 82, and a side wall 9 are also formed.

【0118】まず、厚さ350 μm の鏡面研磨した(100)
面の半絶縁性GaAs基板1上に、第1の化合物半導体層2
として、InAsに格子整合したノンドープのAl0.7Ga0.3As
0.15Sb0.85層を10,000Å、第2の半導体挿入層22とし
て、Al0.7Ga0.3Sb層を20Å、Siがドープされた、キャリ
ア濃度5×1017/cm3のInAs層3を500 Å、それぞれ分子
線エピタキシー法により順次成長させた。ついで、第3
の半導体挿入層41として、Al0.7Ga0.3Sb 層を20Å成長
させた後、第2の化合物半導体層4として、ノンドープ
Al0.7Ga0.3As0.15Sb0.85層を形成した。さらに、該層
上に第4の半導体挿入層42として、GaAs0.15Sb0.85層を
100 Å、コンタクト層50、70となるInAs層を100 Å成長
させた。次に、フォトリソグラフィー法により、GaAs基
板1上に形成した積層薄膜の不要部を除去し、活性領域
11を製作するためのレジストパターンを形成した。次
に、H2SO4 : H2O2系エッチング液によりエッチングを行
い、メサ構造による活性領域11を形成した。次に、プラ
ズマCVD 法によりSiN を全面に2,000 Å形成し、第1の
保護膜81、第2の保護膜82、および側壁9を同時に形成
した。ついで、レジストパターンを形成した後、反応性
イオンエッチング装置を使った異方性エッチングによ
り、側壁9の部分のSiN を残して、ソース電極5および
ドレイン電極7の形成される部分のSiN をエッチングし
た。さらに真空蒸着法により、AuGe(Au:Ge=88:12)
を2,000 Å、Niを500 Å、Auを3,500 Å連続蒸着した。
次にリフトオフを行い、ソース電極5,ドレイン電極7
のパターンを形成した。その後、アニールを行い、ソー
スおよびドレイン電極金属と電子走行層3とのオーミッ
ク接合を得た。次に、ゲート電極6のレジストパターン
を形成し、続いて反応性イオンエッチング装置を使った
異方性エッチングにより、側壁9の部分のSiN を残し
て、ゲート電極6が形成される部分のSiN のエッチング
を行った。さらに、このパターンを使って、NH4OH : H2
O2系エッチング液により、表面のInAs層50、70とGaAsSb
層42をエッチングして、第2の化合物半導体層4である
AlGaAsSb層に、リセス構造12を形成した。次に、ウエハ
ー全面に3,000 ÅのAlを蒸着し、リフトオフを行って、
ゲート長1.0 μm のゲート電極6を形成した。ついで、
ダイシングを行い、個別の素子に切り離した。こうして
図19に示したFET を製作した。
First, a mirror-polished (100) having a thickness of 350 μm was used.
A first compound semiconductor layer 2 on a semi-insulating GaAs substrate 1
Undoped Al 0.7 Ga 0.3 As lattice matched to InAs
The 0.15 Sb 0.85 layer is 10,000Å, the Al 0.7 Ga 0.3 Sb layer is 20Å as the second semiconductor insertion layer 22, the Si-doped InAs layer 3 having a carrier concentration of 5 × 10 17 / cm 3 is 500Å, respectively. They were sequentially grown by molecular beam epitaxy. Then, the third
After growing an Al 0.7 Ga 0.3 Sb layer by 20 ° as a semiconductor insertion layer 41 , a non-doped second compound semiconductor layer 4 is formed.
An Al 0.7 Ga 0.3 As 0.15 Sb 0.85 layer was formed. Further, a GaAs 0.15 Sb 0.85 layer is formed as a fourth semiconductor insertion layer 42 on the layer.
An InAs layer to be 100 Å and the contact layers 50 and 70 was grown 100 Å. Next, unnecessary portions of the laminated thin film formed on the GaAs substrate 1 are removed by photolithography, and the active region is removed.
A resist pattern for manufacturing 11 was formed. Next, etching was performed using an H 2 SO 4 : H 2 O 2 based etchant to form an active region 11 having a mesa structure. Next, 2,000 .mu.m of SiN was formed on the entire surface by a plasma CVD method, and the first protective film 81, the second protective film 82, and the side wall 9 were simultaneously formed. Then, after forming a resist pattern, SiN in the portion where the source electrode 5 and the drain electrode 7 are formed was etched by anisotropic etching using a reactive ion etching apparatus, while leaving SiN in the portion of the side wall 9. . AuGe (Au: Ge = 88: 12) by vacuum evaporation
Was continuously deposited at 2,000 mm, Ni at 500 mm, and Au at 3,500 mm.
Next, lift-off is performed, and the source electrode 5, the drain electrode 7
Was formed. Thereafter, annealing was performed to obtain an ohmic junction between the source and drain electrode metals and the electron transit layer 3. Next, a resist pattern of the gate electrode 6 is formed, followed by anisotropic etching using a reactive ion etching apparatus, while leaving SiN on the side wall 9 and removing SiN on the portion where the gate electrode 6 is formed. Etching was performed. Furthermore, using this pattern, NH 4 OH: H 2
O 2 -based etchant allows surface InAs layers 50 and 70 and GaAsSb
The layer 42 is etched to form the second compound semiconductor layer 4
A recess structure 12 was formed in the AlGaAsSb layer. Next, 3,000 Al of Al was deposited on the entire surface of the wafer, lifted off,
A gate electrode 6 having a gate length of 1.0 μm was formed. Then
Dicing was performed to separate individual devices. Thus, the FET shown in FIG. 19 was manufactured.

【0119】[試作例7]図20に示した別の試作例を説
明する。本試作例では、InAs層3のInの一部をGaに置き
換えて、電子走行層とし、また、その膜厚を70Åとして
いるため、伝導電子が量子準位を形成している。また、
素子間分離は、イオン注入によって形成した領域10によ
り行っている。
[Trial Production Example 7] Another trial production example shown in FIG. 20 will be described. In this prototype, a part of In of the InAs layer 3 is replaced with Ga to form an electron transit layer, and the thickness thereof is set to 70 °, so that conduction electrons form quantum levels. Also,
Isolation between elements is performed by the region 10 formed by ion implantation.

【0120】厚さ400 μm の鏡面研磨した(100) 面のp
型Si基板1上に、分子線エピタキシー法により、第1の
半導体挿入層21として、厚さ3,000 ÅのノンドープのGa
As層を形成した後、第1の化合物半導体層2として、In
Asに格子整合したノンドープのAl0.7Ga0.3As0.15Sb0.85
層を5,000 Å、InAs中のInの9%をGaに置き換えたInAs
層3を70Å、ついで、ノンドープのAl0.7Ga0.3As0.15Sb
0.85層を第2の化合物半導体層4として300 Å、最後に
第4の半導体挿入層42として、GaAs0.15Sb0.85層を100
Å、それぞれ形成した。さらに第2の保護膜82として、
プラズマCVD 法により1,000 ÅのSiN 層を全面に成長さ
せ、基板表面を覆った。次に、FET の活性領域11形成の
ためのレジストパターンを形成し、その後プロトンを全
面にイオン注入し、不要部分10を不導体化(高抵抗化)
した。
The p of a mirror-polished (100) plane having a thickness of 400 μm
A 3,000-mm-thick non-doped Ga is formed on the Si substrate 1 as a first semiconductor insertion layer 21 by molecular beam epitaxy.
After forming the As layer, as the first compound semiconductor layer 2, In
Non-doped Al 0.7 Ga 0.3 As 0.15 Sb 0.85 lattice-matched to As
InAs with 5,000 5,000 layer and 9% of In in InAs replaced with Ga
Layer 3 is 70 °, then undoped Al 0.7 Ga 0.3 As 0.15 Sb
The 0.85 layer is formed as a second compound semiconductor layer 4 with a thickness of 300 Å, and finally, as a fourth semiconductor insertion layer 42, a GaAs 0.15 Sb 0.85 layer is formed with 100
Å, each formed. Further, as the second protective film 82,
A 1,000Å SiN layer was grown on the entire surface by plasma CVD and covered the substrate surface. Next, a resist pattern for forming the active region 11 of the FET is formed, and then protons are ion-implanted over the entire surface to make the unnecessary portion 10 nonconductive (high resistance).
did.

【0121】ソース電極5およびドレイン電極7は、以
下のように形成した。レジストパターンを形成した後、
反応性イオンエッチングによりSiN を部分的に除去した
上で、真空蒸着法により、AuGe(Au:Ge=88:12)2,00
0 Å、Niを500 Å、Auを3,500 Å連続蒸着した。次にリ
フトオフを行い、ソース電極5,ドレイン電極7のパタ
ーンを形成した。その後、アニールを行い、電極金属と
電子走行層とのオーミック接合を得た。次に、ゲート電
極6のレジストパターンを形成した後、反応性イオンエ
ッチングによりSiN を部分的に除去した上で、ウエハー
全面にTiを500Å、Ptを500 Å、Auを1,000 Å連続蒸着
し、リフトオフを行って、ゲート電極6を形成した。最
後にダイシングを行い、個別の素子に切り離した。こう
して、図20に示した本発明の素子を製作した。また、こ
の素子は、通常の組立工程によりリード線がつけられ、
パッケージされた。
The source electrode 5 and the drain electrode 7 were formed as follows. After forming the resist pattern,
After SiN was partially removed by reactive ion etching, AuGe (Au: Ge = 88: 12) 2,000 was deposited by vacuum evaporation.
0 Å, Ni were continuously deposited at 500 Å, and Au was continuously deposited at 3,500 Å. Next, lift-off was performed to form a pattern of the source electrode 5 and the drain electrode 7. Thereafter, annealing was performed to obtain an ohmic junction between the electrode metal and the electron transit layer. Next, after forming a resist pattern of the gate electrode 6, SiN was partially removed by reactive ion etching, and then Ti was continuously deposited at 500 ウ エ ハ, Pt at 500Å and Au at 1,0001,000 over the entire surface of the wafer, and lift-off was performed. Was performed to form the gate electrode 6. Finally, dicing was performed to separate the individual devices. Thus, the device of the present invention shown in FIG. 20 was manufactured. Also, this device is leaded by the normal assembly process,
Packaged.

【0122】[試作例8]図21に示した本発明のFET を
試作例によって説明する。厚さ350 μm の鏡面研磨した
(100) 面の半絶縁性GaAs基板上に、分子線エピタキシー
法により、厚さ3,000 ÅのノンドープのGaAs層を形成
し、本発明の基板1とした。ついで、InAsに格子整合し
たノンドープのAlAs0.15Sb0.85層2を1,500 Å、ノンド
ープのInAs層3を700 Å、ついで、ノンドープのAlAs
0.15Sb0.85層4を形成した。次に、フォトリソグラフィ
ー法により、GaAs基板1上に形成した積層薄膜の不要部
を除去し、FET の活性領域11を製作するためのレジスト
パターンを形成した。次に、H2SO4 : H2O2系エッチング
液によりメサエッチングを行い、不要部を除去した。つ
いで、レジストパターンを形成した後、真空蒸着法によ
り、AuGe(Au:Ge=88:12)を2,000 Å、Niを500 Å、
Auを3,500 Å連続蒸着した。次にリフトオフを行い、ソ
ース電極5、ドレイン電極7のパターンを形成した。そ
の後、窒素雰囲気の電気炉中で450 ℃で5分間アニール
を行い、ソース電極5およびドレイン電極7とInAs層3
とのオーミック接合を得た。さらに、ゲート電極6のレ
ジストパターンを形成した後、ウエハー全面に3,000 Å
のAlを蒸着し、リフトオフを行い、ゲート長1.0 μm の
ゲート電極6を形成した。最後に、シランガスとアンモ
ニアガスによるプラズマCVD 法によって、SiN 保護膜を
全面に形成した。そして、電極部に窓開けを行うため、
所望のレジストパターンを形成した後、反応性イオンエ
ッチングを使って、ボンディングのために電極部に窓あ
けを行った。ついで、ダイシングを行い、個別の素子に
切り離した。こうして、図21に示した本発明の素子を製
作した。また、この素子は、通常の組立工程によりリー
ド線がつけられ、パッケージされた。
[Trial Example 8] The FET of the present invention shown in FIG. 21 will be described with reference to a prototype example. Mirror-polished 350 μm thick
A non-doped GaAs layer having a thickness of 3,000 形成 was formed on a (100) plane semi-insulating GaAs substrate by molecular beam epitaxy to obtain a substrate 1 of the present invention. Next, the non-doped AlAs 0.15 Sb 0.85 layer 2 lattice-matched to InAs is 1,500Å, the non-doped InAs layer 3 is 700700, and then the non-doped AlAs
0.15 Sb 0.85 layer 4 was formed. Next, unnecessary portions of the laminated thin film formed on the GaAs substrate 1 were removed by photolithography to form a resist pattern for manufacturing the active region 11 of the FET. Next, mesa etching was performed with an H 2 SO 4 : H 2 O 2 type etching solution to remove unnecessary portions. Next, after forming a resist pattern, AuGe (Au: Ge = 88: 12) was 2,000 Å, Ni was 500 Å, and vacuum evaporation was performed.
Au was continuously deposited for 3,500 Å. Next, lift-off was performed to form a pattern of the source electrode 5 and the drain electrode 7. Thereafter, annealing is performed at 450 ° C. for 5 minutes in an electric furnace in a nitrogen atmosphere, so that the source electrode 5 and the drain electrode 7 and the InAs layer 3
Ohmic junction was obtained. Further, after forming a resist pattern of the gate electrode 6, 3,000 μm is formed on the entire surface of the wafer.
Of Al was lifted off to form a gate electrode 6 having a gate length of 1.0 μm. Finally, a SiN protective film was formed on the entire surface by a plasma CVD method using silane gas and ammonia gas. And to open a window in the electrode part,
After forming a desired resist pattern, windows were formed in the electrode portion for bonding using reactive ion etching. Then, dicing was performed to separate the individual elements. Thus, the device of the present invention shown in FIG. 21 was manufactured. The device was packaged with leads through a normal assembly process.

【0123】本発明のFET では、InAsの高電子移動度性
により、遮断周波数も大きく、従来構造のGaAsの電界効
果トランジスターに比べ、ゲート長が同じであれば高速
動作性にすぐれていることが分かった。
The FET of the present invention has a high cutoff frequency due to the high electron mobility of InAs, and is superior in high-speed operability as long as the gate length is the same, as compared with a GaAs field-effect transistor having a conventional structure. Do you get it.

【0124】[0124]

【0125】[0125]

【0126】[試作例11]図21に示した本発明のFET を
別の試作例により説明する。厚さ350 μm の鏡面研磨し
た(100) の半絶縁性GaAs基板上に、分子線エピタキシー
法により、厚さ3,000 ÅのノンドープのGaAs層を形成
し、基板1とした。ついでInAsに格子整合したノンドー
プのAlAs0.15Sb0.85層2を1,500 Å、InAs層3を100
Å、ついで、ノンドープのAlAs0.15Sb0.85層4を形成し
た。以後、試作例8と同様にして、図21に示した本発明
の素子を製作した。また、この素子は、通常の組立工程
によりリード線がつけられ、パッケージされた。
[Trial Production Example 11] Another trial production example of the FET of the present invention shown in FIG. 21 will be described. A non-doped GaAs layer having a thickness of 3,000 mm was formed on a mirror-polished (100) semi-insulating GaAs substrate having a thickness of 350 μm by a molecular beam epitaxy method. Then, the non-doped AlAs 0.15 Sb 0.85 layer 2 lattice-matched to InAs is 1,500 Å, and the InAs layer 3 is 100
Next, a non-doped AlAs 0.15 Sb 0.85 layer 4 was formed. Thereafter, the device of the present invention shown in FIG. 21 was manufactured in the same manner as in Prototype Example 8. The device was packaged with leads through a normal assembly process.

【0127】[試作例12]図22に示した本発明のFET を
試作例により説明する。厚さ350 μm の鏡面研磨した(1
00) 面の半絶縁性GaAs基板上に、分子線エピタキシー法
により、厚さ3,000 ÅノンドープのGaAs層を形成し、基
板1とした。ついでIn0.53Ga0.47As層21を500 Å、InAs
に格子整合したノンドープのGa0.7Al0.3As0.15Sb0.85
2を500 Å形成した後、100 ÅのノンドープのInAs層3
1,Siがドープされた500 ÅのInAs層32、および100 Å
のノンドープのInAs層33からなるInAs層3を形成し、
さらにノンドープのAlAs0.15Sb0.85層4を形成した。最
後に、5×1018/cm3のSiが不純物としてドープされたコ
ンタクト層50、70となるInAs層を200 Å形成した。次
に、フォトリソグラフィー法により、GaAs基板1上に形
成した積層薄膜の不要部を除去し、FET の活性領域11を
製作するためのレジストパターンを形成した。次に、H2
SO4 : H2O2系エッチング液によりエッチングを行い、不
要部を除去した。ついで、レジストパターンを形成した
後、真空蒸着法により、AuGe(Au:Ge=88:12)を2,00
0 Å、Niを500 Å、Auを3,500 Å連続蒸着した。次にリ
フトオフを行い、ソース電極5,ドレイン電極7のパタ
ーンを形成した。その後、窒素雰囲気の電気炉中で450
℃で5分間アニールを行い、電極金属と電子走行層との
オーミック接合を得た。ついで、レジスト剥離を経た
後、ソース電極、ドレイン電極下部以外のInAs層を除去
するため、両電極をマスクとして、H2SO4 : H2O2系エッ
チング液によりエッチングを行った。さらに、ゲート電
極6のレジストパターンを形成した後、ウエハー全面に
3,000 ÅのAlを蒸着し、リフトオフを行い、ゲート長1.
0 μm のゲート電極6を形成した。最後に、シランガス
とアンモニアガスによるプラズマCVD 法によって、SiN
からなるパッシベーション膜を全面に形成した。そし
て、電極部に窓開けを行うため、所望のレジストパター
ンを形成した後、反応性イオンエッチングを使って、ボ
ンディングのために電極部の窓あけを行った。ついで、
ダイシングを行い、個別の素子に切り離した。こうし
て、図22に示した本発明の素子を製作した。また、この
素子は、通常の組立工程によりリード線がつけられ、パ
ッケージされた。
[Trial Production Example 12] The FET of the present invention shown in FIG. 22 will be described with reference to a trial production example. 350 μm thick mirror polished (1
A 3,000-nm-thick non-doped GaAs layer was formed by molecular beam epitaxy on a semi-insulating GaAs substrate having a surface of 00). Next, the In 0.53 Ga 0.47 As layer 21 is coated with 500 Å of InAs.
After forming a non-doped Ga 0.7 Al 0.3 As 0.15 Sb 0.85 layer 2 lattice-matched to 500 Å, a 100 ノ ン non-doped InAs layer 3
1, 500 In InAs layer 32 doped with Si, and 100 In
Forming an InAs layer 3 comprising a non-doped InAs layer 33 of
Further, a non-doped AlAs 0.15 Sb 0.85 layer 4 was formed. Finally, 200 μm of InAs layers serving as contact layers 50 and 70 doped with 5 × 10 18 / cm 3 of Si as impurities were formed. Next, unnecessary portions of the laminated thin film formed on the GaAs substrate 1 were removed by photolithography to form a resist pattern for manufacturing the active region 11 of the FET. Then H 2
Unnecessary portions were removed by etching with an SO 4 : H 2 O 2 type etching solution. Then, after a resist pattern is formed, AuGe (Au: Ge = 88: 12) is deposited at 2,000 by vacuum evaporation.
0 Å, Ni were continuously deposited at 500 Å, and Au was continuously deposited at 3,500 Å. Next, lift-off was performed to form a pattern of the source electrode 5 and the drain electrode 7. Then, in an electric furnace with a nitrogen atmosphere, 450
Annealing was performed at 5 ° C. for 5 minutes to obtain an ohmic junction between the electrode metal and the electron transit layer. Next, after the resist was stripped, etching was performed with an H 2 SO 4 : H 2 O 2 -based etchant using both electrodes as a mask in order to remove the InAs layer other than below the source electrode and the drain electrode. Further, after forming a resist pattern of the gate electrode 6, the entire surface of the wafer is
Deposit 3,000 mm of Al, lift off, gate length 1.
A gate electrode 6 of 0 μm was formed. Finally, the plasma CVD method using silane gas and ammonia gas
Was formed on the entire surface. Then, in order to open a window in the electrode portion, a desired resist pattern was formed, and then a window was formed in the electrode portion for bonding using reactive ion etching. Then
Dicing was performed to separate individual devices. Thus, the device of the present invention shown in FIG. 22 was manufactured. The device was packaged with leads through a normal assembly process.

【0128】以上、試作例によって得られた素子特性は
極めて望ましいものであった。その一例を図23に示す。
As described above, the device characteristics obtained by the prototype example were extremely desirable. An example is shown in FIG.

【0129】図23は、試作例5のFET のゲート電圧を変
化させたときの、ソース−ドレイン電圧とドレイン電流
の関係を、室温で測定した結果を示すグラフである。図
2に示す従来のInAs-FETの特性と異なり、ゲート電極6
に印加した電圧によって、ドレイン電流が正確に制御さ
れており、リーク電流の少ない、良好なFET 特性を持っ
ていることがわかる。また、本発明の他の試作例におい
ても同様に良好な結果が得られている。
FIG. 23 is a graph showing the result of measuring the relationship between the source-drain voltage and the drain current at room temperature when the gate voltage of the FET of Prototype Example 5 was changed. Unlike the characteristics of the conventional InAs-FET shown in FIG.
It can be seen that the drain current is accurately controlled by the voltage applied to, and that it has a good FET characteristic with little leakage current. Good results were also obtained in other prototypes of the present invention.

【0130】[0130]

【発明の効果】以上説明したように、この発明は、電子
移動度と電子の飽和速度がGaAsのそれより大きいInAs層
を電子走行層としているため、同一のゲート長でも高周
波まで動作させることができる。したがって、同一の動
作周波数では、本発明のFET は、従来のGaAs-HEMT に比
べて、ゲート長は約2倍でよい。このため、ゲートの加
工がきわめて容易になる。ステッパーによるフォトリソ
グラフィーの可能な0.6μm 以上の寸法の加工と、それ
より微細な加工は精度的に大きな隔たりがあり、工程も
複雑である。本発明によれば、紫外光を用いたフォトリ
ソグラフィープロセスにより、容易に超高周波で動作す
る素子の製作が可能となる。さらに、従来と同一のゲー
ト長の場合は、InAsの高電子移動度性によりGaAsの場合
に比べて2倍の高周波で動作させることができる。その
うえ、工程の歩留りもよく、量産も可能である。
As described above, according to the present invention, an InAs layer having an electron mobility and an electron saturation velocity higher than that of GaAs is used as an electron transit layer, so that it is possible to operate up to a high frequency even with the same gate length. it can. Therefore, at the same operating frequency, the FET of the present invention requires about twice the gate length as compared with the conventional GaAs-HEMT. Therefore, processing of the gate becomes extremely easy. Processing with a dimension of 0.6 μm or more that can be photolithographically performed by a stepper and processing that is smaller than that have large gaps in precision, and the process is complicated. According to the present invention, it is possible to easily manufacture an element operating at an ultra-high frequency by a photolithography process using ultraviolet light. Furthermore, when the gate length is the same as that of the conventional case, the high electron mobility of InAs allows operation at twice as high frequency as that of GaAs. In addition, the yield of the process is good, and mass production is possible.

【0131】本発明は、衛星放送の送受信用増幅素子や
高速データ転送用素子の高速化、コスト低下および多機
能化に貢献する。また、微細加工技術を用いた高周波素
子の製作が容易になり、さらに高速な素子の製作も実現
される。
The present invention contributes to speeding-up, cost reduction, and multi-functionality of an amplifying element for transmitting and receiving satellite broadcasting and an element for high-speed data transfer. Further, the manufacture of a high-frequency device using a microfabrication technique is facilitated, and the manufacture of a higher-speed device is also realized.

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

【図1】特開昭60-5572 号公報に示される従来のGaSbと
AlSbの積層構造によるFET のバンド図であり、(a) はGa
SbとInAsを直接接合した場合のバンド図、(b) はFET の
積層構造、(c) は、(b) の積層構造におけるバンド図で
ある。
FIG. 1 shows a conventional GaSb disclosed in JP-A-60-5572.
FIG. 3 is a band diagram of an FET having a stacked structure of AlSb, and FIG.
The band diagram in the case where Sb and InAs are directly bonded, (b) is a band diagram in the stacked structure of FET, and (c) is a band diagram in the stacked structure of (b).

【図2】(a) はIEEE EDL Vo.11, No.11, p.526(1990)に
示される従来のInAs-FETの断面図であり、(b) はそのIV
特性を示すグラフである。
FIG. 2A is a cross-sectional view of a conventional InAs-FET shown in IEEE EDL Vo.11, No.11, p.526 (1990), and FIG.
It is a graph which shows a characteristic.

【図3】本発明によるFET の一実施例の構成を示す断面
図である。
FIG. 3 is a sectional view showing the configuration of an embodiment of the FET according to the present invention.

【図4】AlGaAsSbをGaAs基板上に形成し、InAs層のバッ
ファ層としたときの、InAsの電子移動度を示すグラフで
ある。
FIG. 4 is a graph showing the electron mobility of InAs when AlGaAsSb is formed on a GaAs substrate and used as a buffer layer of an InAs layer.

【図5】4元系化合物半導体であるAlGaAsSbの組成比
と、バンドギャップと、格子定数との関係を表す相図で
あり、J.J.A.P Vol.19 p.1675 1980からの引用である。
FIG. 5 is a phase diagram showing the relationship between the composition ratio, band gap, and lattice constant of AlGaAsSb, which is a quaternary compound semiconductor, and is quoted from JJAP Vol.19 p.1675 1980.

【図6】バッファ層として機能する第1の化合物半導体
層とInAsとの格子不整合の大きさに対する、InAs層の臨
界膜厚の計算値を示すグラフである。
FIG. 6 is a graph showing a calculated value of a critical thickness of an InAs layer with respect to a magnitude of lattice mismatch between a first compound semiconductor layer functioning as a buffer layer and InAs.

【図7】InAs層の膜厚と、FET の相互コンダクタンスと
の関係の計算結果を示すグラフである。
FIG. 7 is a graph showing a calculation result of a relationship between a film thickness of an InAs layer and a mutual conductance of an FET.

【図8】本発明によるFET の変形例の構成を示すもので
あり、 第2の化合物半導体層4にはドナー不純物をド
ープせず絶縁性の障壁層とし、電子走行層であるInAs層
にのみドープした上記実施例の変形例としてのFET の断
面図である。
FIG. 8 shows a configuration of a modification of the FET according to the present invention.
There, the second compound semiconductor layer 4 is an insulating barrier layer without doping donor impurity, a cross-sectional view of a FET as a modification of the above embodiment doped only InAs layer is an electron transit layer.

【図9】上記実施例の変形例4としてのFET において電
子走行層に形成されている量子準位を示す図である。
FIG. 9 is a diagram showing quantum levels formed in an electron transit layer in an FET as a modification 4 of the embodiment.

【図10】第2の化合物半導体層を介して、InAs層と、
ソース、ドレイン各電極とのオーミック接合をとった、
上記実施例の変形例5としてのFETの構成を示す断面図
である。
FIG. 10 shows an InAs layer via a second compound semiconductor layer;
Ohmic junctions with the source and drain electrodes were taken.
FIG. 14 is a cross-sectional view illustrating a configuration of an FET as a modification 5 of the embodiment.

【図11】ソース電極、およびドレイン電極下部にコン
タクト層を配置した、上記実施例の変形例6としてのFE
T の構成を示す断面図である。
FIG. 11 shows an FE as a modification 6 of the above embodiment, in which a contact layer is arranged below the source electrode and the drain electrode.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing the configuration of T.

【図12】ゲート電極をマスクとして、ゲート電極下部
を除く周辺にドナー不純物をイオン注入した、上記実施
例の変形例7としてのFET の構成を示す断面図である。
FIG. 12 is a cross-sectional view showing the configuration of an FET as a modification 7 of the above embodiment, in which donor impurities are ion-implanted around the gate electrode except for the lower portion using the gate electrode as a mask.

【図13】第2の化合物半導体層と、ゲート電極との間
に導電層を挿入した、上記実施例の変形例8としてのFE
T の構成を示す断面図である。
FIG. 13 shows an FE as a modification 8 of the above embodiment, in which a conductive layer is inserted between the second compound semiconductor layer and the gate electrode.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing the configuration of T.

【図14】ゲート電極部をリセス構造にした、上記実施
例の変形例9としてのFET の構成を示す断面図である。
FIG. 14 is a cross-sectional view showing a configuration of an FET as a modification 9 of the above embodiment, in which a gate electrode portion has a recess structure.

【図15】上記実施例に各種のスペーサー層を加えたFE
T の構成を示す断面図であり、(a) は第1から第4の半
導体挿入層を配置した、上記実施例の変形例10および11
としてのFET の断面図、(b)は、ゲート電極下部に絶縁
体層を配置した、上記実施例の変形例10としてのFET の
断面図である。
FIG. 15 shows FE obtained by adding various spacer layers to the above example.
FIG. 13 is a cross-sectional view showing the configuration of T, wherein (a) shows modified examples 10 and 11 of the above embodiment, in which first to fourth semiconductor insertion layers are arranged.
FIG. 13B is a cross-sectional view of an FET as a modification 10 of the above embodiment, in which an insulator layer is disposed below the gate electrode.

【図16】メサエッチングにより素子分離をし、メサ断
面の側面に絶縁性の側壁を形成した、上記実施例の変形
例12としてのFET の構成を示す図であり、(a) は平面
図、(b) はA-B 線断面図、(c) はC-D 線断面図である。
FIG. 16 is a view showing a configuration of an FET as a twelfth modification of the above embodiment, in which elements are separated by mesa etching and insulating sidewalls are formed on the side surfaces of the mesa cross section, and (a) is a plan view, (b) is a sectional view taken along the line AB, and (c) is a sectional view taken along the CD line.

【図17】上記実施例に酸化防止層を加えた、上記実施
例の変形例13としてのFET の構成を示す断面図である。
FIG. 17 is a cross-sectional view showing a configuration of an FET as a modification 13 of the above embodiment, in which an oxidation preventing layer is added to the above embodiment.

【図18】試作例5によるFET の構造を示す断面図であ
る。
FIG. 18 is a cross-sectional view showing the structure of an FET according to Prototype Example 5.

【図19】試作例6によるFET の構造を示す断面図であ
る。
FIG. 19 is a cross-sectional view showing a structure of an FET according to Prototype Example 6.

【図20】試作例7によるFET の構造を示す断面図であ
る。
FIG. 20 is a cross-sectional view showing a structure of an FET according to Prototype Example 7.

【図21】試作例8〜11によるFET の構造を示す断面図
である。
FIG. 21 is a cross-sectional view showing a structure of an FET according to prototype examples 8 to 11.

【図22】試作例12によるFET の構造を示す断面図であ
る。
FIG. 22 is a sectional view showing the structure of an FET according to Prototype Example 12.

【図23】試作例5によるFET のIV特性を示すグラフで
ある。
FIG. 23 is a graph showing IV characteristics of a FET according to Prototype Example 5.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 基板 2 第1の化合物半導体層 3 InAs層 4 第2の化合物半導体層 5 ソース電極 6 ゲート電極 7 ドレイン電極 9 側壁 10 高抵抗化された領域 11 活性領域 12 リセス構造 21 第1の半導体挿入層 22 第2の半導体挿入層 30 InAs層中の量子準位 31, 33 ノンッドープのInAs層 32 ドープしたInAs層 41 第3の半導体挿入層 42 第4の半導体挿入層 50 コンタクト層(ソース電極下部) 51 ソース電極5のAuGe層 52 ソース電極5のNi層 53 ソース電極5のAu層 61 ゲート電極下部導電層 62 ゲート電極下部絶縁体層 70 コンタクト層(ドレイン電極下部) 71 ドレイン電極7のAuGe層 72 ドレイン電極7のNi層 73 ドレイン電極7のAu層 74 ソース電極下部に部分的に導入されたドナー不純物 75 ゲートをマスクとしてイオン注入のされた領域(ド
レイン側) 81 第1の保護膜 82 第2の保護膜 101 GaAs基板 102 GaSb層 103 InAs層 104 AlSb層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2 1st compound semiconductor layer 3 InAs layer 4 2nd compound semiconductor layer 5 Source electrode 6 Gate electrode 7 Drain electrode 9 Side wall 10 High resistance region 11 Active region 12 Recess structure 21 First semiconductor insertion layer 22 Second semiconductor insertion layer 30 Quantum level in InAs layer 31, 33 Non-doped InAs layer 32 Doped InAs layer 41 Third semiconductor insertion layer 42 Fourth semiconductor insertion layer 50 Contact layer (below source electrode) 51 AuGe layer of source electrode 5 52 Ni layer of source electrode 5 53 Au layer of source electrode 5 61 Gate electrode lower conductive layer 62 Gate electrode lower insulator layer 70 Contact layer (lower of drain electrode) 71 AuGe layer of drain electrode 7 72 Drain Ni layer of electrode 7 73 Au layer of drain electrode 7 Donor impurity partially introduced under source electrode 75 Region (drain side) into which ions are implanted using gate as a mask 81 First protective film 82 2 of the protective layer 101 GaAs substrate 102 GaSb layer 103 InAs layer 104 AlSb layer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 特願平3−192410 (32)優先日 平成3年8月1日(1991.8.1) (33)優先権主張国 日本(JP) 前置審査 (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 (31) Priority claim number Japanese Patent Application No. 3-192410 (32) Priority date August 1, 1991 (1991.8.1) (33) Priority claim country Japan (JP) Preliminary examination (58) Investigated field (Int.Cl. 7 , DB name) H01L 29/778 H01L 21/338 H01L 29/812

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 InAsと異なる格子定数を有する基板と、 該基板表面上に配置され、InAsと実質的に格子整合し、
かつAlGaAsSb、AlInAsSb、AlInPSb、AlGaPSb、 により定められる組成を有する薄膜の中から選ばれた少
なくとも一層の膜で形成された第1の化合物半導体層
と、 該第1の化合物半導体層の上に配置され、層中で発生し
た電子のみをキャリアとするチャネル層としてのInAs層
と、 該InAs層の上に配置され、該InAs層のInAsに実質的に格
子整合し、 該InAsに比して大きなバンドギャップを有しノンドープ
で絶縁性の第2の化合物半導体層と、 前記InAs層にオーミック接触する少なくとも一対のオー
ミック電極と、 該一対のオーミック電極間にあって前記第2の化合物半
導体の上に配置され、前記InAs層内の電流を制御するた
めの少なくとも一つのゲート電極とを有することを特徴
とする電界効果型トランジスタ。
1. A substrate having a lattice constant different from that of InAs, disposed on the substrate surface, substantially lattice-matched with InAs,
A first compound semiconductor layer formed of at least one film selected from thin films having a composition defined by AlGaAsSb, AlInAsSb, AlInPSb, and AlGaPSb; and a first compound semiconductor layer disposed on the first compound semiconductor layer. Occurs in the layers
An InAs layer serving as a channel layer having only electrons as carriers , disposed on the InAs layer, substantially lattice-matched to the InAs of the InAs layer, having a large band gap compared to the InAs, and being undoped. An insulating second compound semiconductor layer, at least a pair of ohmic electrodes in ohmic contact with the InAs layer, and disposed on the second compound semiconductor between the pair of ohmic electrodes; A field-effect transistor having at least one gate electrode for controlling current.
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