JP4214248B2 - Field effect transistor - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は電界効果トランジスタに関し、特に高周波帯域にて高利得を得るようにした電界効果トランジスタに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、インターネット等の通信インフラの急激な普及に伴って、情報通信の大容量化,高速化の要求が高まり、ミリ波帯通信システムの実用化研究が盛んに行われている。
このため、通信回路に使用されるスイッチング素子として、GaAsやInPを基本とした化合物半導体によるショットキーゲート電極を有する電界効果トランジスタ(MESFET)や高電子移動度トランジスタ(HEMT)等の電界効果トランジスタの高周波化への対応が強く望まれている。
【0003】
このような電界効果トランジスタにおける高速性の評価は、遮断周波数によって行なわれる。この遮断周波数は、電流利得が1になる周波数として定義されており、高いほど高周波特性が良好であるとされている。
ところで、遮断周波数は、電子のソース電極からドレイン電極までの走行時間の逆数で与えられ、この走行時間のうち最も長い時間は、ゲート電極直下のチャネルである真性領域を走行する時間である。
【0004】
このため、ゲート電極をできるだけ短くして、真性領域の長さをできるだけ短くすることにより遮断周波数を高くして、高周波特性、特に高周波における高利得を得ることが試みられている。
【0005】
しかしながら、上述したようなゲート長の短縮により、高い遮断周波数を得る方法では、パターンの極微細化技術の限界から、例えば、0.05μm程度以下の20nm程度までの短縮に限定されてしまい、これ以上高い遮断周波数を達成することは実質的に困難である(非特許文献1参照)。
【0006】
さらに、電子の真性領域における移動時間を短縮するために、電子がより速く移動できる材料、例えば、GaAsよりもIny Ga1-y Asを真性領域の材料として用いることが注目されている。
このようにして、現在では、Iny Ga1-y As(ここで、0<y<1)として、例えば、In0.7 Ga0.3 Asにより電界効果トランジスタのチャネルとなる真性領域を形成し、ゲート長を25nmまで短縮することにより、562GHzの遮断周波数を有する電界効果トランジスタが報告されている(非特許文献2参照)。
【0007】
他方、ソース電極及びドレイン電極直下の領域にて、チャネル層に対して電子が流れる方向に沿って磁界を印加することにより、チャネル層を流れる電子に磁場エネルギーを付加して、チャネル層を流れる電子を加速するようにした電界効果トランジスタが知られている(特許文献1参照)。この特許文献1では、電子の進行方向に沿って平行に磁界を印加することにより、ソース電極及びドレイン電極の直下のチャネル層に磁気鏡が形成され、チャネル層を流れる電子が、この磁気鏡により磁場エネルギーを受け取る。これにより、電子はこの磁場エネルギーを運動エネルギーに変換して加速されることが開示されている。
【0008】
【非特許文献1】
Loi D. Nguyen, April S. Brown, Mark A. Thompson, and Linda M.Jelloian,"50nm Self-Aligned-Gate Psudomorfic AlInAs/GaInAs High Electron Mobility Transistors", September 1992, IEEE Transaction on Electron Devices, Vol. 39, No.9, pp. 2007-2014
【非特許文献2】
山下良美、遠藤聡、篠原啓介、彦坂康巳、松井敏明、冷水佐壽、三村高志、「超高速fT =562GHz InP−HEMT」、2002年3月28日、第49回応用物理学関係連合講演会講演予稿集、30a−YK−5、p.1240
【特許文献1】
特開2001−284602号(第2−3頁,第1図)
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
非特許文献1と2の技術にあっては、移動度が大きく電子の飽和速度が大きい材料の選択やチャネル寸法の短縮により高周波化を行っているが、電子のエネルギー散逸を伴う散乱を抑制できないという課題がある。
【0010】
また、特許文献1の技術では、磁場エネルギーから運動エネルギーへの変換が効率よくできたとしても、高いエネルギーを有する電子は直ちに結晶中の光学フォノン散乱などのエネルギー散逸を伴う散乱過程によってエネルギーを失ってしまうので、電子の速度の向上を効率的に行うことができないという課題がある。
以上のように、現状においては、電子のエネルギー散逸を伴う散乱を抑制できる電界効果トランジスタが知られていない。
【0011】
本発明は、上記課題に鑑み、高周波においてより高い遮断周波数と高利得を得ることができるようにした電界効果トランジスタを提供することを目的としている。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、ゲートと二次元電子によるチャネル層とを備える電界効果トランジスタであって、ゲートに形成されるゲート電極が、強磁性材料から形成された強磁性ゲート層を含み、強磁性ゲート層の磁場が、二次元電子によるチャネル層に垂直な方向に印加されていることを特徴とする。
特に、ゲートがショットキーゲート又はMOSゲートであるとよい。特に、二次元電子によるチャネル層が化合物半導体のヘテロ接合により形成されている。特に、強磁性材料が、少なくともNd(ネオジウム)、Sm(サマリウム)、Ce(セリウム)の何れかを含む。
【0014】
上記構成によれば、ゲートと二次元電子によるチャネル層とを備える電界効果トランジスタにおいて、電子の移動方向に対して垂直方向に磁場が印加されることにより、電子は、その移動方向及び磁場の方向に垂直な方向にローレンツ力を受けて、この方向に移動して、所謂量子ホール効果を生じる。
【0015】
これにより、電子の移動方向に関して抵抗率が大幅に減少し、電子の散逸のない伝導が生ずる。これは、磁場が印加されない場合には光学フォノンによるエネルギー散逸が発生するが、磁場が印加されるとこのような光学フォノンによるエネルギー散逸が発生せず、電子が超高速で移動できることになるからである。
【0016】
従って、ソース電極とドレイン電極間にてチャネル層を流れる電子は、光学フォノンによるエネルギー散逸を伴わない電流となるので、ゲート電極直下のチャネル層を電子が走行する時間が大幅に短縮されるので、遮断周波数が大幅に高くなる。これにより、ゲート長を短縮することなく、高周波特性、特に高周波における利得が大幅に向上することができる。
【0017】
磁場が、チャネル層のゲート電極直下の領域に印加されている場合には、電子の高速化が最も重要であるゲート電極直下の領域にて、チャネル層を移動する電子が磁場の印加に基づく量子ホール効果によって、より効果的に加速されることになり、ゲート下部のチャネル層を走行する時間がより一層短縮される。
【0018】
ゲート電極が、少なくとも強磁性体材料、好ましくはネオジウム磁石などの磁石から形成されている場合には、ゲート電極自体が発生する磁界が、チャネル層のゲート電極直下の領域を移動する電子に対して、垂直方向に印加される。
【0019】
このようにして、本発明によれば、ゲートと二次元電子によるチャネル層とを備える電界効果トランジスタにおいて、電子の移動方向に対して垂直方向に磁場が印加されることによって、所謂量子ホール効果により、電子が効果的に加速されることになり、ゲート電極直下のチャネル層領域を走行する時間が大幅に短縮される。従って、ゲート長を短縮することなく、遮断周波数を大幅に高くすることができるので、電界効果トランジスタの高周波特性が大幅に向上し、特に高周波における高利得を得ることが可能になる。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、図面に示した実施形態に基づいて、本発明を詳細に説明する。
図1及び図2は、本発明による電界効果トランジスタの第一の実施形態の構成を示している。
図1において、電界効果トランジスタ10は、通常のInP基板上に作製される、所謂高電子移動度トランジスタ(HEMT)と同様の構成であり、InP基板11上にバッファ層となるInx Al1-x As層12、アンドープIny Ga1-y As層13、アンドープInx Al1-x As層14、n型Inx Al1-x As層15、アンドープInx Al1-x As層16、n+ 型Iny Ga1-y As層17が順次積層された構造を有している。
【0021】
n+ 型Iny Ga1-y As層17には、ソース電極19と、ドレイン電極20が設けられている。最上層のn+ 型Iny Ga1-y As層17には、ショットキー接合がアンドープInx Al1-x As層16に形成される領域を露出させる所謂ゲートリセスが形成され、アンドープInx Al1-x As層16上にゲート電極21が形成されている。
【0022】
最上層のn+ 型Iny Ga1-y As層17には、保護膜となるSiO2 層18が堆積されて、電極部だけが開口されている。なお、ゲート電極21は、ゲート抵抗を極力低下させるように、T型ゲート電極の構造を示している。
【0023】
ここで、電界効果トランジスタ10のチャネル22は、アンドープIny Ga1-y As層13、アンドープInx Al1-x As層14、n型Inx Al1-x As層15からなり、アンドープIny Ga1-y As層13中のアンドープInx Al1-x As層14とのヘテロ接合界面に2次元電子ガスが形成されて、2次元電子チャネル層23となっている。
【0024】
なお、上記ヘテロ接合として、Iny Ga1-y As層13はIn0.53Ga0.43As、Inx Al1-x As層14はIn0.52Al0.48Asなどとすればよい。ヘテロ接合の組成は、上記組成に限らない。In0.53Ga0.43As/InAs/In0.53Ga0.43Asのような積層構造でもよい。
チャネル構造によっては、形成される2次元電子ガスが擬似2次元電子ガスとも呼ばれているが、そのような構造も含めて本発明においては、2次元電子チャネル層と呼ぶことにする。
また、ゲートはショットキー接合で説明したが、pn接合ゲート、MISゲート、MOSゲートでもよい。
【0025】
ここで、このような電界効果トランジスタ10は、以下のようにして製造される。即ち、先ず通常のInP基板上に作製される所謂高電子移動度トランジスタ(HEMT)と同様にして、MBE(分子線エピタキシー)装置により、基板温度450℃の条件において、半絶縁性InP基板11上に、バッファ層となるアンドープIn0.52Al0.48As層12(厚さ300nm)、アンドープIn0.53Ga0.47As層13(厚さ20nm)、アンドープIn0.70Al0.31As層14(厚さ2nm)、n型In0.53Al0.47As層15(ドーピング濃度5×1018cm3 ,厚さ12nm)、アンドープIn0.52Al0.48As層16(厚さ10nm)、n+ 型In0.53Ga0.47As層17(ドーピング濃度3×1019cm3 ,厚さ50nm)を順次にエピタキシャル成長させる。
【0026】
次に、メサエッチングにより、所謂、素子分離を行なった後、CVD法によりSiO2 層18(厚さ400nm)を形成する。続いて、通常のフォトリソグラフィ法により、SiO2 層18のソース電極及びドレイン電極の領域に開口パターンを形成し、この領域にてSiO2 層18のドライエッチング及びウェットエッチングにより孔を開ける。
そして、SiO2 層18の上から表面全体にAu(厚さ200nm)/Ti(厚さ50nm)を蒸着して、リフトオフにより、ソース電極19及びドレイン電極20を形成する。
【0027】
その後、電子線描画装置を使用して、上記ソース電極19及びドレイン電極20の間において、SiO2 層18のゲート電極の領域に開口パターンを形成し、この領域にてSiO2 層18のドライエッチング及びウェットエッチングにより孔を開ける。そして、この孔内にて、n+ 型In0.53Ga0.47As層17をクエン酸系のエッチャントによりウェットエッチングして、アンドープIn0.52Al0.48As層16を露出させる。
最後に、その上からTi(厚さ20nm)及びAl(厚さ500nm)を順次に蒸着し、リフトオフにより、ゲート電極21を形成する。
このようにして、電界効果トランジスタ10が完成する。
【0028】
本発明による電界効果トランジスタ10は以上のように構成されており、以下のように動作する。即ち、ソース電極19及びドレイン電極20間に電圧を印加すると共に、ゲート電極21の領域にて、2次元電子チャネル層23が形成されるアンドープIny Ga1-y As層13内の電子移動方向に対して垂直な方向、即ち図1にて下方に向かう磁場Bを印加する。
ここで、磁場Bは、電界効果トランジスタ10の外部磁場であり、電界効果トランジスタのパッケージ内に設けた磁石などにより印加すればよい。
【0029】
そして、ゲート電極21に電圧を印加すると、ゲート電極21に印加されるゲート電圧に基づいて、ソース電極19からn+ 型Iny Ga1-y As層17とアンドープInx Al1-x As層16を介して、アンドープIny Ga1-y As層13を通り、さらに、アンドープInx Al1-x As層16とn+ 型Iny Ga1-y As層17を介してドレイン電極20に向かって電子が流れることになる。ここで、n+ 型Iny Ga1-y As層17とアンドープInx Al1-x As層16の厚さの和はチャネルよりも十分に短いものであるので、チャネルは、2次元電子チャネル層23が形成されるアンドープIny Ga1-y As層13の長さとしてよい。
【0030】
図2は、量子ホール効果によるx方向及びy方向の抵抗率の変化を模式的に示す図である。図2において、横軸は二次元的に分布した電子密度Ns であり、縦軸はx及びy方向の抵抗率ρxx,ρxyを示す。ここで、x−y平面は、2次元電子チャネル層23が形成される面であり、ソース電極19からドレイン電極20の方向がx方向である。
図示するように、量子ホール効果によって、y方向の抵抗率ρxyが階段状に変化することが分かる。これは、上述した電場Eyの離散的な値に対応している。他方、x方向の抵抗率ρxxはある領域でゼロになっており、この領域では、全く光学フォノンによるエネルギー散逸のない伝導が生ずることになる。
磁場Bのない場合には、光学フォノンによるエネルギー散逸のために、電子の速度は、最大でも、例えば2×107 cm/s程度の速度である。
本発明のように、磁場Bが印加され、上記の光学フォノンによるエネルギー散逸のない伝導が生ずる場合には、散逸のない伝導のために電子は飽和速度(2×107 cm/s程度)を越えてドレイン電圧による電界により加速され続ける。これにより、これまで限界とされてきた電子の飽和速度を越える速度での移動が可能となり、より高い高周波の入力信号に追従できることになる。
【0031】
従って、ソース電極19とドレイン電極20間において、2次元電子チャネル層23が形成されるアンドープIny Ga1-y As層13を流れる電子は、光学フォノンによるエネルギー散逸を伴わない電流となるので、ゲート直下の2次元電子チャネル層23が形成されるアンドープIny Ga1-y As層13を電子が走行する時間が大幅に短縮されることにより、遮断周波数が大幅に高くなる。このようにして、ゲート長を短縮することなく、高周波特性の特に高周波における利得が大幅に向上し、高周波特性が良好な電界効果トランジスタが得られることになる。
【0032】
次に、本発明による電界効果トランジスタの第二の実施の形態について説明する。図3は、本発明による電界効果トランジスタの第二の実施形態の構成を示す断面図である。
第二の実施形態の電界効果トランジスタ30が、図1に示した電界効果トランジスタ10と異なるのは、ゲート電極21の上部に強磁性材料からなる強磁性ゲート層31を配設している点である。ここで、強磁性ゲート層31の上部に電極抵抗を減少させることと保護のために、さらに金属層を設け、多層のゲート電極構造としてもよい。
強磁性ゲート層31の強磁性材料としては、ネオジウム系磁石(Nd−Fe−B)、サマリウム系磁石(Sm−Co)、セリウム系磁石(Ce)、フェライト系磁石などが使用できる。
この電界効果トランジスタ30によれば、ゲート電極21の上部に強磁性材料からなる強磁性ゲート層31が配設され、図示するようにチャネル22へ磁場Bが印加されるので、電界効果トランジスタ10で用いた外部から印加する磁場は不要となる以外は、同様に動作する。
【0033】
図4は、本発明による電界効果トランジスタの第二の実施形態の変形例の構成を示す断面図である。
第二の実施形態の電界効果トランジスタ35が、図3に示した電界効果トランジスタ30と異なるのは、強磁性ゲート層31の代わりに、チャネル22へ磁場を印加するための強磁性層32を基板11の下部に配設している点である。
この電界効果トランジスタ35によれば、強磁性材料からなる強磁性層32を基板11の下部に配設することにより、図示するようにチャネル22へ磁場Bが印加されるので、電界効果トランジスタ10で用いた外部から印加する磁場は不要となる以外は、同様に動作する。
【0034】
ここで、上述した第一の実施形態の電界効果トランジスタ10と、第二の実施形態の電界効果トランジスタ30のシミュレーション実験を示す。
図1に示す第一の実施形態の電界効果トランジスタ10をサンプルAとすると共に、同様にして、図3に示すように、ゲート電極21上にさらに強磁性体材料であるネオジウム磁石(Nd−Fe−B)により形成した強磁性ゲート層31を配設した第二の実施形態による電界効果トランジスタ30(サンプルB)を作製する。
【0035】
これらのサンプルA,Bについて、それぞれシミュレーションを行なった。
図5は、図1及び図3の電界効果トランジスタによるゲート長に対する遮断周波数のシミュレーション結果を示す図である。
図5からわかるように、ゲート長(μm)に対する遮断周波数の変化を示すと、サンプルAについては、白四角で示すように、外部磁界を印加しない状態においては、ゲート長の短縮に伴って遮断周波数が高くなるものの、ゲート長0.15μmにおいて、たかだか0.2THzの遮断周波数となっている。従って、サンプルAは、外部磁界を印加しない場合においては、図5にて黒四角で併せて示した従来のHEMTにおける遮断周波数とほぼ同じである。
【0036】
これに対して、図5において白丸で示すサンプルBについては、ゲート電極21をネオジウム磁石から形成することによって、ゲート電極21により図3にて矢印で示すように磁界が印加されて、電子の移動速度が高くなるので、ゲート長0.15μmにて、1.08THzと非常に高い遮断周波数が得られることが分かる。
また、サンプルAについては、1.0T(テスラ)の外部磁界を印加した状態では、ゲート長0.15μmにて、1.0THzの遮断周波数が得られた。
従って、外部磁界を印加しない場合と比較して、本発明による磁界印加の効果による遮断周波数の大幅な向上を確認することができる。
【0037】
上述した実施形態においては、InP基板11上にエピタキシャル成長させた各層12乃至18の膜厚が固定されているが、これに限らず、他の膜厚に変更してもよい。
また、上述した実施形態においては、電界効果トランジスタとして、所謂HEMTに本発明を適用した場合について説明したが、これに限らず、MOSFETやショットキーゲート型の電界効果トランジスタ等の他の構成の二次元電子や擬似的二次元電子を使用した電界効果トランジスタに本発明を適用し得ることは明らかである。
【0038】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、ゲートと二次元電子によるチャネル層とを備える電界効果トランジスタにおいて、電子の移動方向に対して垂直方向に磁場が印加されることによって、所謂量子ホール効果により、電子が効果的に加速されることになり、ゲート電極直下のチャネル層を走行する時間が大幅に短縮される。従って、ゲート長を短縮することなく遮断周波数を大幅に高くすることができるので、電界効果トランジスタの高周波特性が大幅に向上し、特に高周波における高利得を得ることが可能になる。
このようにして、本発明によれば、より高い遮断周波数を有し、高周波において高利得を得ることができるようにした、極めて優れた電界効果トランジスタが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による電界効果トランジスタの一実施形態の構成を示す断面図である。
【図2】量子ホール効果によるx方向及びy方向の抵抗率の変化を示す図である。
【図3】本発明による電界効果トランジスタの第二の実施形態の構成を示す断面図である。
【図4】本発明による電界効果トランジスタの第二の実施形態の変形例の構成を示す断面図である。
【図5】図1及び図3の電界効果トランジスタによるゲート長に対する遮断周波数のシミュレーション結果を示す図である。
【符号の説明】
10,30,35 電界効果トランジスタ
11 InP基板
12 アンドープInx Al1-x As層
13 アンドープIny Ga1-y As層
14 アンドープInx Al1-x As層
15 n型Inx Al1-x As層
16 アンドープInx Al1-x As層
17 n+ 型Iny Ga1-y As層
18 SiO2 層
19 ソース電極
20 ドレイン電極
21 ゲート電極
22 チャネル
23 2次元電子チャネル層
31 強磁性ゲート層
32 強磁性層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a field effect transistor, and more particularly to a field effect transistor configured to obtain a high gain in a high frequency band.
[0002]
[Prior art]
In recent years, with the rapid spread of communication infrastructure such as the Internet, the demand for larger capacity and higher speed of information communication has increased, and research on practical application of millimeter wave band communication systems has been actively conducted.
For this reason, field effect transistors such as a field effect transistor (MESFET) and a high electron mobility transistor (HEMT) having a Schottky gate electrode made of a compound semiconductor based on GaAs or InP are used as switching elements used in communication circuits. There is a strong demand for higher frequencies.
[0003]
Evaluation of high speed in such a field effect transistor is performed based on the cutoff frequency. This cutoff frequency is defined as a frequency at which the current gain becomes 1, and the higher the frequency, the better the high frequency characteristics.
By the way, the cutoff frequency is given by the reciprocal of the travel time from the source electrode to the drain electrode of the electrons, and the longest time among the travel times is the travel time in the intrinsic region which is a channel directly under the gate electrode.
[0004]
For this reason, attempts have been made to obtain high frequency characteristics, particularly high gain at high frequencies, by shortening the gate electrode as much as possible and shortening the length of the intrinsic region as much as possible to increase the cutoff frequency.
[0005]
However, due to the shortening of the gate length as described above, the method for obtaining a high cut-off frequency is limited to shortening to about 20 nm, for example, about 0.05 μm or less due to the limitation of the pattern miniaturization technique. It is substantially difficult to achieve a higher cutoff frequency (see Non-Patent Document 1).
[0006]
Furthermore, in order to shorten the movement time of electrons in the intrinsic region, attention has been paid to the use of a material that can move electrons faster, for example, In y Ga 1-y As than the material of GaAs.
In this way, at present, an intrinsic region that becomes a channel of a field effect transistor is formed of In 0.7 Ga 0.3 As, for example, as In y Ga 1-y As (where 0 <y <1), and the gate length A field effect transistor having a cutoff frequency of 562 GHz has been reported by shortening the length to 25 nm (see Non-Patent Document 2).
[0007]
On the other hand, by applying a magnetic field along the direction in which electrons flow to the channel layer in a region immediately below the source electrode and the drain electrode, magnetic field energy is added to the electrons flowing through the channel layer, and electrons flow through the channel layer. There is known a field effect transistor that accelerates (see Patent Document 1). In Patent Document 1, a magnetic mirror is formed in a channel layer immediately below a source electrode and a drain electrode by applying a magnetic field in parallel along the traveling direction of electrons, and electrons flowing through the channel layer are transferred by this magnetic mirror. Receives magnetic field energy. This discloses that electrons are accelerated by converting this magnetic field energy into kinetic energy.
[0008]
[Non-Patent Document 1]
Loi D. Nguyen, April S. Brown, Mark A. Thompson, and Linda M. Jelloian, "50nm Self-Aligned-Gate Psudomorfic AlInAs / GaInAs High Electron Mobility Transistors", September 1992, IEEE Transaction on Electron Devices, Vol. 39 , No.9, pp. 2007-2014
[Non-Patent Document 2]
Yoshimi Yamashita, Atsushi Endo, Keisuke Shinohara, Yasutoshi Hikosaka, Toshiaki Matsui, Satoshi Cold Water, Takashi Mimura, “Ultra High Speed f T = 562 GHz InP-HEMT”, March 28, 2002, 49th Association of Applied Physics Lecture Proceedings, 30a-YK-5, p. 1240
[Patent Document 1]
JP 2001-284602 A (page 2-3, FIG. 1)
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
In the techniques of Non-Patent Documents 1 and 2, the frequency is increased by selecting a material having a high mobility and a high electron saturation rate and shortening the channel size, but it is not possible to suppress scattering accompanied by energy dissipation of electrons. There is a problem.
[0010]
In the technique of Patent Document 1, even if conversion from magnetic field energy to kinetic energy can be efficiently performed, electrons having high energy immediately lose energy by a scattering process accompanied by energy dissipation such as optical phonon scattering in the crystal. Therefore, there is a problem that the speed of electrons cannot be improved efficiently.
As described above, a field effect transistor that can suppress scattering accompanied by energy dissipation of electrons is not known at present.
[0011]
In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a field effect transistor capable of obtaining a higher cutoff frequency and higher gain at a high frequency.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object , the present invention provides a field effect transistor comprising a gate and a channel layer formed of two-dimensional electrons, wherein the gate electrode formed on the gate is formed of a ferromagnetic material. And the magnetic field of the ferromagnetic gate layer is applied in a direction perpendicular to the channel layer by two-dimensional electrons .
In particular, the gate is preferably a Schottky gate or a MOS gate . In particular, a channel layer based on two-dimensional electrons is formed by a heterojunction of compound semiconductors. In particular, the ferromagnetic material contains at least one of Nd (neodymium), Sm ( samarium ), and Ce (cerium).
[0014]
According to the above configuration , in a field effect transistor including a gate and a channel layer formed of two-dimensional electrons, a magnetic field is applied in a direction perpendicular to the moving direction of the electrons, so that the electrons move in the moving direction and the direction of the magnetic field. In response to the Lorentz force in a direction perpendicular to the direction, the material moves in this direction, producing a so-called quantum Hall effect.
[0015]
This significantly reduces the resistivity with respect to the direction of movement of the electrons, resulting in conduction without electron dissipation. This is because energy dissipation due to optical phonons occurs when a magnetic field is not applied, but energy dissipation due to such optical phonons does not occur when a magnetic field is applied, and electrons can move at a very high speed. is there.
[0016]
Therefore, the electrons flowing through the channel layer between the source electrode and the drain electrode become a current that does not involve energy dissipation due to optical phonons, so the time for the electrons to travel through the channel layer directly under the gate electrode is greatly reduced. The cut-off frequency is significantly increased. As a result, high-frequency characteristics, particularly gain at high frequencies, can be significantly improved without reducing the gate length.
[0017]
When a magnetic field is applied to the region immediately below the gate electrode of the channel layer, electrons moving through the channel layer are quantum based on the application of the magnetic field in the region immediately below the gate electrode where speeding up the electrons is most important. The Hall effect accelerates more effectively, and the time for traveling in the channel layer below the gate is further shortened.
[0018]
When the gate electrode is formed of at least a ferromagnetic material, preferably a magnet such as a neodymium magnet, the magnetic field generated by the gate electrode itself is applied to electrons moving in a region immediately below the gate electrode of the channel layer. Applied in the vertical direction.
[0019]
Thus, according to the present invention, in a field effect transistor having a gate and a channel layer formed of two-dimensional electrons, a magnetic field is applied in a direction perpendicular to the direction of movement of electrons, so-called quantum Hall effect. Electrons are effectively accelerated, and the time for traveling in the channel layer region directly under the gate electrode is greatly reduced. Therefore, since the cutoff frequency can be significantly increased without reducing the gate length, the high-frequency characteristics of the field effect transistor are greatly improved, and a high gain can be obtained particularly at a high frequency.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on the embodiments shown in the drawings.
1 and 2 show the configuration of a first embodiment of a field effect transistor according to the present invention.
In FIG. 1, a
[0021]
A
[0022]
On the uppermost n + -type In y Ga 1 -y As
[0023]
Here, the
[0024]
As the heterojunction, the In y Ga 1-y As
Depending on the channel structure, the formed two-dimensional electron gas is also called a quasi-two-dimensional electron gas. In the present invention, including such a structure, it will be called a two-dimensional electron channel layer.
Although the gate has been described as a Schottky junction, it may be a pn junction gate, a MIS gate, or a MOS gate.
[0025]
Here, such a
[0026]
Next, after so-called element isolation is performed by mesa etching, an SiO 2 layer 18 (
Then, Au (
[0027]
Thereafter, an opening pattern is formed in the region of the gate electrode of the SiO 2 layer 18 between the
Finally, Ti (
In this way, the
[0028]
The
Here, the magnetic field B is an external magnetic field of the
[0029]
When a voltage is applied to the
[0030]
FIG. 2 is a diagram schematically showing changes in resistivity in the x and y directions due to the quantum Hall effect. In FIG. 2, the horizontal axis represents the two-dimensionally distributed electron density Ns, and the vertical axis represents the resistivity ρxx, ρxy in the x and y directions. Here, the xy plane is a surface on which the two-dimensional
As shown in the figure, it can be seen that the resistivity ρxy in the y direction changes stepwise due to the quantum Hall effect. This corresponds to the discrete value of the electric field Ey described above. On the other hand, the resistivity ρxx in the x direction is zero in a certain region, and in this region, conduction without energy dissipation due to optical phonons occurs.
In the absence of the magnetic field B, due to energy dissipation due to optical phonons, the speed of the electrons is at most about 2 × 10 7 cm / s, for example.
When the magnetic field B is applied and conduction without energy dissipation occurs due to the optical phonon as in the present invention, the electron has a saturation speed (about 2 × 10 7 cm / s) for conduction without dissipation. Beyond, it continues to be accelerated by the electric field due to the drain voltage. As a result, it is possible to move at a speed exceeding the saturation speed of electrons, which has been limited so far, and to follow a higher-frequency input signal.
[0031]
Therefore, electrons flowing through the undoped In y Ga 1-y As
[0032]
Next, a second embodiment of the field effect transistor according to the present invention will be described. FIG. 3 is a sectional view showing the configuration of the second embodiment of the field effect transistor according to the present invention.
The
As the ferromagnetic material of the
According to the
[0033]
FIG. 4 is a cross-sectional view showing the configuration of a modification of the second embodiment of the field effect transistor according to the present invention.
The
According to the
[0034]
Here, simulation experiments of the
The
[0035]
Each of these samples A and B was simulated.
FIG. 5 is a diagram showing a simulation result of the cutoff frequency with respect to the gate length by the field effect transistor of FIGS. 1 and 3.
As can be seen from FIG. 5, the change in the cut-off frequency with respect to the gate length (μm) shows that the sample A is cut off as the gate length is shortened in the state where no external magnetic field is applied, as shown by the white square. Although the frequency is high, the cutoff frequency is at most 0.2 THz at the gate length of 0.15 μm. Therefore, in the case where the external magnetic field is not applied, the sample A has almost the same cutoff frequency as that of the conventional HEMT indicated by the black square in FIG.
[0036]
On the other hand, in the sample B indicated by white circles in FIG. 5, by forming the
For sample A, a cut-off frequency of 1.0 THz was obtained at a gate length of 0.15 μm when an external magnetic field of 1.0 T (Tesla) was applied.
Therefore, compared with the case where an external magnetic field is not applied, it can be confirmed that the cut-off frequency is greatly improved by the effect of the magnetic field application according to the present invention.
[0037]
In the embodiment described above, the thickness of each of the
In the above-described embodiments, the case where the present invention is applied to a so-called HEMT has been described as a field effect transistor. However, the present invention is not limited to this, and other configurations such as a MOSFET and a Schottky gate type field effect transistor are used. It is clear that the present invention can be applied to a field effect transistor using two-dimensional electrons or pseudo two-dimensional electrons.
[0038]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, in a field effect transistor including a gate and a channel layer formed of two-dimensional electrons, a so-called quantum Hall effect is obtained by applying a magnetic field in a direction perpendicular to the direction of electron movement. As a result, electrons are effectively accelerated, and the time for traveling through the channel layer directly under the gate electrode is greatly reduced. Therefore, since the cutoff frequency can be significantly increased without reducing the gate length, the high-frequency characteristics of the field effect transistor are greatly improved, and a high gain can be obtained particularly at a high frequency.
As described above, according to the present invention, an extremely excellent field effect transistor having a higher cutoff frequency and capable of obtaining a high gain at a high frequency is provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of an embodiment of a field effect transistor according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing changes in resistivity in the x direction and the y direction due to the quantum Hall effect.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a configuration of a second embodiment of a field effect transistor according to the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a configuration of a modification of the second embodiment of the field effect transistor according to the present invention.
5 is a diagram showing a simulation result of a cutoff frequency with respect to a gate length by the field effect transistor of FIGS. 1 and 3. FIG.
[Explanation of symbols]
10, 30, 35
Claims (5)
上記ゲートに形成されるゲート電極が、強磁性材料から形成された強磁性ゲート層を含み、
上記強磁性ゲート層の磁場が、二次元電子によるチャネル層に垂直な方向に印加されることを特徴とする、電界効果トランジスタ。A field effect transistor comprising a gate and a channel layer formed by two-dimensional electrons,
The gate electrode formed on the gate includes a ferromagnetic gate layer formed of a ferromagnetic material,
A field effect transistor, wherein the magnetic field of the ferromagnetic gate layer is applied in a direction perpendicular to the channel layer by two-dimensional electrons .
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