JP3429700B2 - 高電子移動度トランジスタ - Google Patents
高電子移動度トランジスタInfo
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
- H01L29/76—Unipolar devices, e.g. field effect transistors
- H01L29/772—Field effect transistors
- H01L29/778—Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface
- H01L29/7782—Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface with confinement of carriers by at least two heterojunctions, e.g. DHHEMT, quantum well HEMT, DHMODFET
- H01L29/7783—Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface with confinement of carriers by at least two heterojunctions, e.g. DHHEMT, quantum well HEMT, DHMODFET using III-V semiconductor material
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- H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
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- H01L29/15—Structures with periodic or quasi periodic potential variation, e.g. multiple quantum wells, superlattices
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置に関
し、さらに詳しくは高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭ
Ｔ）に関するものである。
し、さらに詳しくは高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭ
Ｔ）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、携帯電話や衛星放送や衛星通信な
どで、マイクロ波やミリ波といった高周波での通信シス
テムが飛躍的に発展している。これらのシステムにおい
て、信号送信部には高出力増幅器が不可欠であるが、シ
ステムの高周波化に伴い、高周波特性に優れたデバイス
として高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）が高出力
用素子として使用される機会がますます増えている。
どで、マイクロ波やミリ波といった高周波での通信シス
テムが飛躍的に発展している。これらのシステムにおい
て、信号送信部には高出力増幅器が不可欠であるが、シ
ステムの高周波化に伴い、高周波特性に優れたデバイス
として高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）が高出力
用素子として使用される機会がますます増えている。
【０００３】以下において、高周波高出力用に用いられ
る従来のＨＥＭＴの構造および動作を図面を参照して説
明する。図１は、従来のＨＥＭＴの構造を示す断面図で
ある。図１に示されるように、従来のＨＥＭＴは、半絶
縁性ＧａＡｓ基板１の上に電子走行層としてのノンドー
プＧａＡｓ層２、スペーサ層としてのノンドープＡｌx
Ｇａ1-xＡｓ層４、電子供給層としてのｎ+ −ＡｌxＧａ
1-xＡｓ層５、ノンドープＡｌxＧａ1-xＡｓ層６、ノン
ドープＧａＡｓ層７、ｎ+ −ＧａＡｓ層８が順次積層さ
れ、さらにゲート電極９とソース電極１０及びドレイン
電極１１が形成されている。また、ノンドープＧａＡｓ
層２とノンドープＡｌxＧａ1-xＡｓ層４との間には、二
次元電子ガス層３が形成される。このように、高出力増
幅に用いられるＨＥＭＴでは、ゲート耐圧の向上を意図
してゲート電極９の直下やゲート電極９の横には、ノン
ドープＡｌxＧａ1-xＡｓ層６やノンドープＧａＡｓ層７
のようにノンドープ層 （もしくはｎ- 層）を用いるこ
とが多い。また、ノンドープＡｌxＧａ1-xＡｓ層４やｎ
+−ＡｌxＧａ1-xＡｓ層５に用いられるＡｌxＧａ1-xＡ
ｓのｘの値としては、２次元電子ガスの面密度を向上さ
せるためにはある程度大きな値が望ましいが、逆に大き
すぎるとドナー不純物準位が深くなって二次元電子ガス
層３の電子濃度は頭打ちになり、かつ、光応答特性をも
つなど動作が不安定になるため０．２〜０．３程度が選
ばれることが多い。
る従来のＨＥＭＴの構造および動作を図面を参照して説
明する。図１は、従来のＨＥＭＴの構造を示す断面図で
ある。図１に示されるように、従来のＨＥＭＴは、半絶
縁性ＧａＡｓ基板１の上に電子走行層としてのノンドー
プＧａＡｓ層２、スペーサ層としてのノンドープＡｌx
Ｇａ1-xＡｓ層４、電子供給層としてのｎ+ −ＡｌxＧａ
1-xＡｓ層５、ノンドープＡｌxＧａ1-xＡｓ層６、ノン
ドープＧａＡｓ層７、ｎ+ −ＧａＡｓ層８が順次積層さ
れ、さらにゲート電極９とソース電極１０及びドレイン
電極１１が形成されている。また、ノンドープＧａＡｓ
層２とノンドープＡｌxＧａ1-xＡｓ層４との間には、二
次元電子ガス層３が形成される。このように、高出力増
幅に用いられるＨＥＭＴでは、ゲート耐圧の向上を意図
してゲート電極９の直下やゲート電極９の横には、ノン
ドープＡｌxＧａ1-xＡｓ層６やノンドープＧａＡｓ層７
のようにノンドープ層 （もしくはｎ- 層）を用いるこ
とが多い。また、ノンドープＡｌxＧａ1-xＡｓ層４やｎ
+−ＡｌxＧａ1-xＡｓ層５に用いられるＡｌxＧａ1-xＡ
ｓのｘの値としては、２次元電子ガスの面密度を向上さ
せるためにはある程度大きな値が望ましいが、逆に大き
すぎるとドナー不純物準位が深くなって二次元電子ガス
層３の電子濃度は頭打ちになり、かつ、光応答特性をも
つなど動作が不安定になるため０．２〜０．３程度が選
ばれることが多い。
【０００４】図２は、この従来のＨＥＭＴの熱平衡状態
でのエネルギーバンドを示す図である。図２において
は、価電子帯Ｅｖと伝導帯Ｅｃとフェルミ準位ＥF及び
基底状態のエネルギー準位Ｅ0や第一励起状態のエネル
ギー準位Ｅ1の関係が示される。
でのエネルギーバンドを示す図である。図２において
は、価電子帯Ｅｖと伝導帯Ｅｃとフェルミ準位ＥF及び
基底状態のエネルギー準位Ｅ0や第一励起状態のエネル
ギー準位Ｅ1の関係が示される。
【０００５】また図３は、この従来のＨＥＭＴの熱平衡
状態での電子濃度分布を示す図である。なお、この例で
はノーマリ・オン型の素子の場合が示される。そして、
図４は３端子動作でのドレイン電流を増加させるために
ゲートを順方向にバイアスした状態でのＨＥＭＴのエネ
ルギーバンドを示す図である。また、図５は上記バイア
ス状態でのＨＥＭＴの電子濃度分布を示す図である。図
２及び図３に示される熱平衡状態では電子供給層である
ｎ+ −ＡｌxＧａ1-xＡｓ層５は完全に空乏化していた
が、ゲート電極９に印加する順方向電圧が増加するにつ
れ、このｎ+ −ＡｌxＧａ1-xＡｓ層５の中に電荷中性領
域が出現しその領域が拡大していく。すなわち、図５に
示されるように、ｎ+ −ＡｌxＧａ1-xＡｓ層５の電子濃
度が高くなっていく。ここで、電子供給層であるｎ+ −
ＡｌxＧａ1-xＡｓ層５中では電子のドリフト速度が電子
走行層であるノンドープＧａＡｓ層２に比べ低くなり、
また、電子は電子供給層５からゲート電極９へと流れる
ため、伝達コンダクタンスｇmの急激な低下が引き起こ
される。図６は、伝達コンダクタンスｇmのゲート電圧
Ｖｇ依存性を示す図である。図６において、破線６０が
従来のＨＥＭＴの特性を表しており、実線６１が後記す
る本発明の実施の形態にかかるＨＥＭＴの特性を表して
いる。
状態での電子濃度分布を示す図である。なお、この例で
はノーマリ・オン型の素子の場合が示される。そして、
図４は３端子動作でのドレイン電流を増加させるために
ゲートを順方向にバイアスした状態でのＨＥＭＴのエネ
ルギーバンドを示す図である。また、図５は上記バイア
ス状態でのＨＥＭＴの電子濃度分布を示す図である。図
２及び図３に示される熱平衡状態では電子供給層である
ｎ+ −ＡｌxＧａ1-xＡｓ層５は完全に空乏化していた
が、ゲート電極９に印加する順方向電圧が増加するにつ
れ、このｎ+ −ＡｌxＧａ1-xＡｓ層５の中に電荷中性領
域が出現しその領域が拡大していく。すなわち、図５に
示されるように、ｎ+ −ＡｌxＧａ1-xＡｓ層５の電子濃
度が高くなっていく。ここで、電子供給層であるｎ+ −
ＡｌxＧａ1-xＡｓ層５中では電子のドリフト速度が電子
走行層であるノンドープＧａＡｓ層２に比べ低くなり、
また、電子は電子供給層５からゲート電極９へと流れる
ため、伝達コンダクタンスｇmの急激な低下が引き起こ
される。図６は、伝達コンダクタンスｇmのゲート電圧
Ｖｇ依存性を示す図である。図６において、破線６０が
従来のＨＥＭＴの特性を表しており、実線６１が後記す
る本発明の実施の形態にかかるＨＥＭＴの特性を表して
いる。
【０００６】さらに、従来のＨＥＭＴにおいては、上記
の電子濃度の頭打ちを回避し、光応答特性を改良するた
めに図１に示される電子供給層としてのｎ+ −ＡｌxＧ
ａ1-xＡｓ層５のかわりにｎ+ −ＧａＡｓとｉ−ＡｌＡ
ｓとからなる超格子構造を用いたものが考案されてい
る。すなわち、ドナー不純物準位が深くなるのは、アル
ミニウム原子とドナーであるシリコン原子の相互作用で
あるから、アルミニウム原子とシリコン原子を空間的に
分離してやれば、この問題を回避できる。
の電子濃度の頭打ちを回避し、光応答特性を改良するた
めに図１に示される電子供給層としてのｎ+ −ＡｌxＧ
ａ1-xＡｓ層５のかわりにｎ+ −ＧａＡｓとｉ−ＡｌＡ
ｓとからなる超格子構造を用いたものが考案されてい
る。すなわち、ドナー不純物準位が深くなるのは、アル
ミニウム原子とドナーであるシリコン原子の相互作用で
あるから、アルミニウム原子とシリコン原子を空間的に
分離してやれば、この問題を回避できる。
【０００７】図７は、ｎ+ −ＧａＡｓ１３とｉ−ＡｌＡ
ｓ１２とからなる超格子構造を有する電子供給層のエネ
ルギーバンドを、バンドの曲がりを省略して示したもの
である。図７に示されるように、この電子供給層の実効
的なエネルギーバンドギャップＥｇは超格子構造により
量子化された電子の基底状態のエネルギー準位ＥQeとホ
ールの基底状態のエネルギー準位ＥQhとの差で定義さ
れ、ｎ+ −ＧａＡｓ１３の層の厚さを適当な値に選べ
ば、ｎ+ −ＡｌxＧａ1-xＡｓ層５においてｘが０．３程
度の場合と同様かそれ以上の大きさとすることができ
る。よって、このような超格子構造とされたＨＥＭＴの
電子供給層では、熱平衡状態において超格子の井戸部
（ｎ+ −ＧａＡｓ層）に電子が局在することはない。な
お図７において、ｉ−ＡｌＡｓ１２の伝導帯Ｅｃのレベ
ルはΓ点での値に基づくものである。
ｓ１２とからなる超格子構造を有する電子供給層のエネ
ルギーバンドを、バンドの曲がりを省略して示したもの
である。図７に示されるように、この電子供給層の実効
的なエネルギーバンドギャップＥｇは超格子構造により
量子化された電子の基底状態のエネルギー準位ＥQeとホ
ールの基底状態のエネルギー準位ＥQhとの差で定義さ
れ、ｎ+ −ＧａＡｓ１３の層の厚さを適当な値に選べ
ば、ｎ+ −ＡｌxＧａ1-xＡｓ層５においてｘが０．３程
度の場合と同様かそれ以上の大きさとすることができ
る。よって、このような超格子構造とされたＨＥＭＴの
電子供給層では、熱平衡状態において超格子の井戸部
（ｎ+ −ＧａＡｓ層）に電子が局在することはない。な
お図７において、ｉ−ＡｌＡｓ１２の伝導帯Ｅｃのレベ
ルはΓ点での値に基づくものである。
【０００８】しかしながら、かかる構成においても高ド
レイン電流時には二次元電子ガス層３中の電子が加速さ
れて電子供給層に流れ込んでしまい、伝達コンダクタン
スｇmの急激な低下を引き起こす。 また図８は、従来
のＨＥＭＴの３端子特性と、高出力動作時の負荷線８０
を示す図である。図８において、高電流域８１では伝達
コンダクタンスｇmが低下するため、出力電力は低下す
る。また、おおよそ負荷線８０全体にわたっての伝達コ
ンダクタンスｇmの平均値で決まる電力利得も低下する
こととなる。さらには、肩電圧（Ｋnee voltage）近傍
で伝達コンダクタンスｇmが低下することにより、ドレ
イン効率や電力付加効率の低下も引き起こされる。そし
てこれらの欠点は、ＨＥＭＴを高出力増幅用に用いる場
合には大きな問題となる。
レイン電流時には二次元電子ガス層３中の電子が加速さ
れて電子供給層に流れ込んでしまい、伝達コンダクタン
スｇmの急激な低下を引き起こす。 また図８は、従来
のＨＥＭＴの３端子特性と、高出力動作時の負荷線８０
を示す図である。図８において、高電流域８１では伝達
コンダクタンスｇmが低下するため、出力電力は低下す
る。また、おおよそ負荷線８０全体にわたっての伝達コ
ンダクタンスｇmの平均値で決まる電力利得も低下する
こととなる。さらには、肩電圧（Ｋnee voltage）近傍
で伝達コンダクタンスｇmが低下することにより、ドレ
イン効率や電力付加効率の低下も引き起こされる。そし
てこれらの欠点は、ＨＥＭＴを高出力増幅用に用いる場
合には大きな問題となる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述の問題
を解消するためになされたものであり、高出力かつ高利
得で高効率な動作を実現する高電子移動度トランジスタ
を提供することを目的とする。
を解消するためになされたものであり、高出力かつ高利
得で高効率な動作を実現する高電子移動度トランジスタ
を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記の目的は、ｎ型半導
体層とノンドープ半導体層とからなる超格子構造を有す
る電子供給層を備えた高電子移動度トランジスタにおい
て、ｎ型半導体層はアルミニウム混晶比が０．２〜０．
３の砒化アルミニウムガリウムで形成され、ノンドープ
半導体層は、砒化アルミニウムガリウムで形成されると
ともに、該砒化アルミニウムガリウムのアルミニウム混
晶比は直接遷移形から間接遷移形へ移行する臨界混晶比
近傍とされたことを特徴とする高電子移動度トランジス
タを提供することによって達成される。
体層とノンドープ半導体層とからなる超格子構造を有す
る電子供給層を備えた高電子移動度トランジスタにおい
て、ｎ型半導体層はアルミニウム混晶比が０．２〜０．
３の砒化アルミニウムガリウムで形成され、ノンドープ
半導体層は、砒化アルミニウムガリウムで形成されると
ともに、該砒化アルミニウムガリウムのアルミニウム混
晶比は直接遷移形から間接遷移形へ移行する臨界混晶比
近傍とされたことを特徴とする高電子移動度トランジス
タを提供することによって達成される。
【００１１】また上記目的は、さらに上記ノンドープ半
導体層が、該ノンドープ半導体層のΓ点における伝導帯
のエネルギーレベルをＸ点やＬ点におけるエネルギーレ
ベルよりも低くする組成を持った砒化アルミニウムガリ
ウムで形成された高電子移動度トランジスタを提供する
ことによって達成される。
導体層が、該ノンドープ半導体層のΓ点における伝導帯
のエネルギーレベルをＸ点やＬ点におけるエネルギーレ
ベルよりも低くする組成を持った砒化アルミニウムガリ
ウムで形成された高電子移動度トランジスタを提供する
ことによって達成される。
【００１２】また上記目的は、さらに上記ノンドープ半
導体層を形成する砒化アルミニウムガリウムのアルミニ
ウム混晶比が０．４〜０．５である高電子移動度トラン
ジスタを提供することによって達成される。
導体層を形成する砒化アルミニウムガリウムのアルミニ
ウム混晶比が０．４〜０．５である高電子移動度トラン
ジスタを提供することによって達成される。
【００１３】本発明におけるこれらの手段によれば、大
きなドレイン電流が流れる時においても伝達コンダクタ
ンスが高い値に維持される高電子移動度トランジスタを
得ることができる。
きなドレイン電流が流れる時においても伝達コンダクタ
ンスが高い値に維持される高電子移動度トランジスタを
得ることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下において、本発明の実施の形
態を図面を参照して詳しく説明する。
態を図面を参照して詳しく説明する。
【００１５】図９は、本発明の実施の形態にかかる高周
波高出力増幅用の高電子移動度トランジスタの構造を示
す断面図である。図９に示されるように、この高電子移
動度トランジスタは、図１に示された従来の高電子移動
度トランジスタと同様な構造を有するが、電子走行層を
より高い移動度及びドリフト速度が期待できるＩｎ0.2
Ｇａ0.8Ａｓで形成することとしている。より具体的に
は、半絶縁性ＧａＡｓ基板１の上にｉ―ＧａＡｓ層から
なる厚さ５０００Åのバッファ層１ａ、ノンドープＩｎ
0.2Ｇａ0.8Ａｓからなる厚さ１３０Åの電子走行層２
ａ、二次元電子ガス層３、ノンドープＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａ
ｓからなる厚さ４０Åのスペーサ層４ａ、ｎ+ −Ａｌ
0.2Ｇａ0.8Ａｓからなる厚さ４０Åでキャリア濃度が２
×１０18ｃｍ-3の電子供給層５ａ、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ
からなる厚さ２００Åでキャリア濃度が２×１０16ｃｍ
-3の障壁層６ａ、ＧａＡｓからなる厚さ３００Åでキャ
リア濃度が２×１０16ｃｍ-3のキャップ層７ａ、ｎ+ −
Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓからなる厚さ２０Åでキャリア濃度
が２×１０18ｃｍ-3のエッチング・ストッパ層７ｂ、Ｇ
ａＡｓからなる厚さ８００Åでキャリア濃度が２×１０
18ｃｍ-3のオーミック・コンタクト層８ａ、ＳｉＮから
なる表面保護膜１７が順次積層され、ゲート電極９とソ
ース電極１０及びドレイン電極１１が形成される。
波高出力増幅用の高電子移動度トランジスタの構造を示
す断面図である。図９に示されるように、この高電子移
動度トランジスタは、図１に示された従来の高電子移動
度トランジスタと同様な構造を有するが、電子走行層を
より高い移動度及びドリフト速度が期待できるＩｎ0.2
Ｇａ0.8Ａｓで形成することとしている。より具体的に
は、半絶縁性ＧａＡｓ基板１の上にｉ―ＧａＡｓ層から
なる厚さ５０００Åのバッファ層１ａ、ノンドープＩｎ
0.2Ｇａ0.8Ａｓからなる厚さ１３０Åの電子走行層２
ａ、二次元電子ガス層３、ノンドープＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａ
ｓからなる厚さ４０Åのスペーサ層４ａ、ｎ+ −Ａｌ
0.2Ｇａ0.8Ａｓからなる厚さ４０Åでキャリア濃度が２
×１０18ｃｍ-3の電子供給層５ａ、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ
からなる厚さ２００Åでキャリア濃度が２×１０16ｃｍ
-3の障壁層６ａ、ＧａＡｓからなる厚さ３００Åでキャ
リア濃度が２×１０16ｃｍ-3のキャップ層７ａ、ｎ+ −
Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓからなる厚さ２０Åでキャリア濃度
が２×１０18ｃｍ-3のエッチング・ストッパ層７ｂ、Ｇ
ａＡｓからなる厚さ８００Åでキャリア濃度が２×１０
18ｃｍ-3のオーミック・コンタクト層８ａ、ＳｉＮから
なる表面保護膜１７が順次積層され、ゲート電極９とソ
ース電極１０及びドレイン電極１１が形成される。
【００１６】また、ゲート電極９はゲート長が０．２５
μｍでＷＳｉ／ＡｕのＴ型ゲート構造とし、ソース電極
１０とドレイン電極１１はＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕで形成
するとともにこれらの電極間の距離を４μｍとした。
μｍでＷＳｉ／ＡｕのＴ型ゲート構造とし、ソース電極
１０とドレイン電極１１はＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕで形成
するとともにこれらの電極間の距離を４μｍとした。
【００１７】このような高電子移動度トランジスタのパ
ワー特性を２０ＧＨｚで評価したところ、従来の高電子
移動度トランジスタと比べて、利得で約１ｄＢ、出力電
力で約０．５ｄＢ、電力付加効率で約５％の改善がみら
れた。
ワー特性を２０ＧＨｚで評価したところ、従来の高電子
移動度トランジスタと比べて、利得で約１ｄＢ、出力電
力で約０．５ｄＢ、電力付加効率で約５％の改善がみら
れた。
【００１８】なお、本発明においては、電子走行層をｉ
−ＧａＡｓで形成した高電子移動度トランジスタも同様
に考えることができるが、以下においては、この場合の
高電子移動度トランジスタの性質について説明する。
−ＧａＡｓで形成した高電子移動度トランジスタも同様
に考えることができるが、以下においては、この場合の
高電子移動度トランジスタの性質について説明する。
【００１９】図１０は、本発明の実施の形態にかかる高
電子移動度トランジスタが熱平衡状態にあるときのエネ
ルギーバンドを示す図である。また、図１１は、その高
電子移動度トランジスタの高ドレイン電流時のエネルギ
ーバンドを示す図であり、電子供給層側における電子の
基底状態のエネルギー準位ＥQeが図示される。ここで、
電子供給層を超格子構造とすれば、後で説明するように
スペーサ層４ａのバリア高さを最大化できるため、高ド
レイン電流時においてエネルギー準位ＥQeを二次元電子
ガス層３中の電子のエネルギーよりも高い値に設定で
き、その結果として電子濃度分布は図１２に示されるよ
うになる。すなわち、電子供給層における電子の存在確
率が従来より低くなる。また、二次元電子ガス層の電子
濃度はより高い値となるため、図６の実線６１に示され
るように、大きなドレイン電流が流れる状態においても
高い伝達コンダクタンスを維持することができる。
電子移動度トランジスタが熱平衡状態にあるときのエネ
ルギーバンドを示す図である。また、図１１は、その高
電子移動度トランジスタの高ドレイン電流時のエネルギ
ーバンドを示す図であり、電子供給層側における電子の
基底状態のエネルギー準位ＥQeが図示される。ここで、
電子供給層を超格子構造とすれば、後で説明するように
スペーサ層４ａのバリア高さを最大化できるため、高ド
レイン電流時においてエネルギー準位ＥQeを二次元電子
ガス層３中の電子のエネルギーよりも高い値に設定で
き、その結果として電子濃度分布は図１２に示されるよ
うになる。すなわち、電子供給層における電子の存在確
率が従来より低くなる。また、二次元電子ガス層の電子
濃度はより高い値となるため、図６の実線６１に示され
るように、大きなドレイン電流が流れる状態においても
高い伝達コンダクタンスを維持することができる。
【００２０】図１３に示されるように、ＡｌxＧａ1-xＡ
ｓ系においては、混晶比ｘの値が大きくなるにつれてΓ
点での伝導帯Ｅｃ（Γ）のレベルは高くなっていくが、
Ｘ，Ｌ点での伝導帯Ｅｃ（Ｘ，Ｌ）のレベルは逆に低く
なって行く。そして、混晶比ｘが臨界混晶比ｘｃ（〜
０．５）以上ではΓ点の伝導帯Ｅｃ（Γ）よりもＸ，Ｌ
点での伝導帯Ｅｃ（Ｘ，Ｌ）の方が低いエネルギーとな
っている。ここにおいて、臨界混晶比ｘｃ以下の混晶比
では直接遷移形であり、臨界混晶比ｘｃ以上の混晶比で
は間接遷移形となる。
ｓ系においては、混晶比ｘの値が大きくなるにつれてΓ
点での伝導帯Ｅｃ（Γ）のレベルは高くなっていくが、
Ｘ，Ｌ点での伝導帯Ｅｃ（Ｘ，Ｌ）のレベルは逆に低く
なって行く。そして、混晶比ｘが臨界混晶比ｘｃ（〜
０．５）以上ではΓ点の伝導帯Ｅｃ（Γ）よりもＸ，Ｌ
点での伝導帯Ｅｃ（Ｘ，Ｌ）の方が低いエネルギーとな
っている。ここにおいて、臨界混晶比ｘｃ以下の混晶比
では直接遷移形であり、臨界混晶比ｘｃ以上の混晶比で
は間接遷移形となる。
【００２１】ここで、電子供給層の超格子構造におい
て、バンドギャップが広い方の材料（本実施の形態にお
いてはノンドープＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ）はできるだけ伝
導帯Ｅｃのレベルが高い方がスペーサ層４ａのバリア高
さを高くできるという点で望ましいが、上記のようにＡ
ｌxＧａ1-xＡｓ系の場合に混晶比ｘの値を臨界混晶比ｘ
ｃより大きくすると、Γ点の伝導帯Ｅｃ（Γ）よりも
Ｘ，Ｌ点での伝導帯Ｅｃ（Ｘ，Ｌ）の方がレベルが低く
なり実効的な伝導帯の値が小さくなってしまう。したが
って、ｘの値としては０．５程度が最適である。
て、バンドギャップが広い方の材料（本実施の形態にお
いてはノンドープＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ）はできるだけ伝
導帯Ｅｃのレベルが高い方がスペーサ層４ａのバリア高
さを高くできるという点で望ましいが、上記のようにＡ
ｌxＧａ1-xＡｓ系の場合に混晶比ｘの値を臨界混晶比ｘ
ｃより大きくすると、Γ点の伝導帯Ｅｃ（Γ）よりも
Ｘ，Ｌ点での伝導帯Ｅｃ（Ｘ，Ｌ）の方がレベルが低く
なり実効的な伝導帯の値が小さくなってしまう。したが
って、ｘの値としては０．５程度が最適である。
【００２２】また、バンドギャップが狭い方の材料（本
実施の形態においてはｎ+−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ）も、
二次元電子ガス層３中の電子を効果的に閉じ込めるため
には伝導帯Ｅｃのレベルが高い方がよいが、この層には
ドナー不純物（Ｓｉ）がドーピングされるため、混晶比
ｘの値を大きくしすぎると不純物準位が深くなるという
問題が生じる。このことから、ｎ型半導体層のアルミニ
ウム混晶比ｘは０．２程度が最適である。
実施の形態においてはｎ+−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ）も、
二次元電子ガス層３中の電子を効果的に閉じ込めるため
には伝導帯Ｅｃのレベルが高い方がよいが、この層には
ドナー不純物（Ｓｉ）がドーピングされるため、混晶比
ｘの値を大きくしすぎると不純物準位が深くなるという
問題が生じる。このことから、ｎ型半導体層のアルミニ
ウム混晶比ｘは０．２程度が最適である。
【００２３】なお、本発明の実施の形態をｎ+−Ａｌ0.2
Ｇａ0.8Ａｓとｉ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓの超格子構造で
説明したが、半導体材料はＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系に
限られるものではない。
Ｇａ0.8Ａｓとｉ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓの超格子構造で
説明したが、半導体材料はＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系に
限られるものではない。
【００２４】
【発明の効果】上述の如く、本発明によれば、高出力か
つ高利得で高効率な動作を実現する高電子移動度トラン
ジスタを得ることができる。
つ高利得で高効率な動作を実現する高電子移動度トラン
ジスタを得ることができる。
【図１】図１は、従来のＨＥＭＴの構造を示す断面図で
ある。
ある。
【図２】図２は、従来のＨＥＭＴの熱平衡状態でのエネ
ルギーバンドを示す図である。
ルギーバンドを示す図である。
【図３】図３は、従来のＨＥＭＴの熱平衡状態での電子
濃度分布を示す図である。
濃度分布を示す図である。
【図４】図４は、３端子動作でのドレイン電流を増加さ
せるためにゲートを順方向にバイアスした状態での従来
のＨＥＭＴのエネルギーバンドを示す図である。
せるためにゲートを順方向にバイアスした状態での従来
のＨＥＭＴのエネルギーバンドを示す図である。
【図５】図５は、バイアス状態での従来のＨＥＭＴの電
子濃度分布を示す図である。
子濃度分布を示す図である。
【図６】図６は、伝達コンダクタンスのゲート電圧依存
性を示す図である。
性を示す図である。
【図７】図７は、ｎ+ −ＧａＡｓとｉ−ＡｌＡｓとから
なる超格子構造を有する電子供給層のエネルギーバンド
を、バンドの曲がりを省略して示したものである。
なる超格子構造を有する電子供給層のエネルギーバンド
を、バンドの曲がりを省略して示したものである。
【図８】図８は、従来のＨＥＭＴの３端子特性と、高出
力動作時の負荷線を示す図である。
力動作時の負荷線を示す図である。
【図９】図９は、本発明の実施の形態にかかる高周波高
出力増幅用の高電子移動度トランジスタの構造を示す断
面図である。
出力増幅用の高電子移動度トランジスタの構造を示す断
面図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施の形態にかかる高電
子移動度トランジスタが熱平衡状態にあるときのエネル
ギーバンドを示す図である。
子移動度トランジスタが熱平衡状態にあるときのエネル
ギーバンドを示す図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施の形態にかかる高電
子移動度トランジスタの高ドレイン電流時のエネルギー
バンドを示す図である。
子移動度トランジスタの高ドレイン電流時のエネルギー
バンドを示す図である。
【図１２】図１２は、本発明の実施の形態にかかる高電
子移動度トランジスタの高ドレイン電流時の電子濃度分
布を示す図である。
子移動度トランジスタの高ドレイン電流時の電子濃度分
布を示す図である。
【図１３】図１３は、ＡｌxＧａ1-xＡｓ系における伝導
帯の混晶比依存性を示す図である。
帯の混晶比依存性を示す図である。
１ 半絶縁性ＧａＡｓ基板
１ａ バッファ層
２ ノンドープＧａＡｓ層
２ａ 電子走行層
３ 二次元電子ガス層
４ ノンドープＡｌxＧａ1-xＡｓ層
４ａ スペーサ層
５ n+−ＡｌxＧａ1-xＡｓ層
５ａ 電子供給層
６ ノンドープＡｌxＧａ1-xＡｓ層
６ａ 障壁層
７ ノンドープＧａＡｓ層
７ａ キャップ層
７ｂ エッチング・ストッパ層
８ ｎ+ −ＧａＡｓ層
８ａ オーミック・コンタクト層
９ ゲート電極
１０ ソース電極
１１ ドレイン電極
１２ ｉ−ＡｌＡｓ
１３ ｎ+ −ＧａＡｓ
１７ 表面保護膜
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01L 21/338
H01L 29/778
H01L 29/812
Claims (3)
- 【請求項１】 ｎ型半導体層とノンドープ半導体層とか
らなる超格子構造を有する電子供給層を備えた高電子移
動度トランジスタにおいて、 前記ｎ型半導体層はアルミニウム混晶比が０．２〜０．
３の砒化アルミニウムガリウムで形成され、 前記ノンドープ半導体層は、砒化アルミニウムガリウム
で形成されるとともに、該砒化アルミニウムガリウムの
アルミニウム混晶比は直接遷移形から間接遷移形へ移行
する臨界混晶比近傍とされたことを特徴とする高電子移
動度トランジスタ。 - 【請求項２】 前記ノンドープ半導体層は、該ノンドー
プ半導体層のΓ点における伝導帯のエネルギーレベルを
Ｘ点やＬ点におけるエネルギーレベルよりも低くする組
成を持った砒化アルミニウムガリウムで形成された請求
項１に記載の高電子移動度トランジスタ。 - 【請求項３】 前記ノンドープ半導体層を形成する砒化
アルミニウムガリウムのアルミニウム混晶比が０．４〜
０．５である請求項２に記載の高電子移動度トランジス
タ。
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|---|---|---|---|
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| US09/443,210 US6242766B1 (en) | 1999-03-19 | 1999-11-18 | High electron mobility transistor |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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ID=13613888
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|---|---|---|---|
| JP07673699A Expired - Fee Related JP3429700B2 (ja) | 1999-03-19 | 1999-03-19 | 高電子移動度トランジスタ |
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| US11791385B2 (en) * | 2005-03-11 | 2023-10-17 | Wolfspeed, Inc. | Wide bandgap transistors with gate-source field plates |
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| JP2661556B2 (ja) * | 1994-07-25 | 1997-10-08 | 日本電気株式会社 | 電界効果型半導体装置 |
| JP3604502B2 (ja) * | 1996-04-18 | 2004-12-22 | 本田技研工業株式会社 | 高電子移動度トランジスタ |
| JPH10125901A (ja) * | 1996-10-17 | 1998-05-15 | Mitsubishi Electric Corp | 電界効果トランジスタ，及びその製造方法 |
| JP3458349B2 (ja) * | 1996-11-19 | 2003-10-20 | 株式会社デンソー | 半導体装置 |
-
1999
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- 1999-11-18 US US09/443,210 patent/US6242766B1/en not_active Expired - Fee Related
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