JP4243593B2 - HETERO FIELD EFFECT TRANSISTOR, MANUFACTURING METHOD THEREOF, AND TRANSMITTING / RECEIVING APPARATUS EQUIPPED - Google Patents

HETERO FIELD EFFECT TRANSISTOR, MANUFACTURING METHOD THEREOF, AND TRANSMITTING / RECEIVING APPARATUS EQUIPPED Download PDF

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Description

本発明は、窒化砒化ガリウムインジウム系エピタキシャルウェハを用いたヘテロ電界効果トランジスタ及びその製造方法並びにそれを用いた送受信装置に関する。   The present invention relates to a hetero field effect transistor using a gallium indium arsenide nitride epitaxial wafer, a manufacturing method thereof, and a transmission / reception apparatus using the hetero field effect transistor.

高電子移動度トランジスタ(HEMT)などのヘテロ電界効果トランジスタは、ヘテロ構造で形成された2次元電子ガスを利用する化合物半導体素子である。   A hetero field effect transistor such as a high electron mobility transistor (HEMT) is a compound semiconductor device using a two-dimensional electron gas formed in a hetero structure.

このようなHEMTの第1の従来例としてInP基板上に形成されたInAlAsキャリア供給層/InGaAsチャネル層/InAlAsバッファ層を有するHEMTを図13に示す。図13において、符号1は電極金属、符号2はn+‐InGaAsキャップ層、符号3はn‐InAlAsキャリア供給層、符号4はi‐InAlAsスペーサ層、符号5はi‐InGaAsチャネル層、符号6はi‐InAlAsバッファ層、符号7は半絶縁性InP基板(S.I.‐InP基板)を示す。このHEMTは、チャネル層5としてInGaAsを用いているので、チャネル層にGaAsを用いているHEMTに比べ、その高い電子輸送特性のために優れた高周波特性を示す。特に、この従来例は、InGaAsチャネル層5中に1〜7nmの厚みを有するInAs層8をInAlAsスペーサ層4から0〜6nm離れた位置に挿入することを特徴としている(例えば、特許許文献1参照)。 FIG. 13 shows a HEMT having an InAlAs carrier supply layer / InGaAs channel layer / InAlAs buffer layer formed on an InP substrate as a first conventional example of such a HEMT. In FIG. 13, reference numeral 1 denotes an electrode metal, reference numeral 2 denotes an n + -InGaAs cap layer, reference numeral 3 denotes an n-InAlAs carrier supply layer, reference numeral 4 denotes an i-InAlAs spacer layer, reference numeral 5 denotes an i-InGaAs channel layer, reference numeral 6 Is an i-InAlAs buffer layer, and 7 is a semi-insulating InP substrate (SI-InP substrate). Since this HEMT uses InGaAs as the channel layer 5, the HEMT exhibits excellent high-frequency characteristics because of its high electron transport characteristics as compared with HEMTs using GaAs for the channel layer. In particular, this conventional example is characterized in that an InAs layer 8 having a thickness of 1 to 7 nm is inserted into the InGaAs channel layer 5 at a position 0 to 6 nm away from the InAlAs spacer layer 4 (for example, Patent Document 1). reference).

また、第2の従来例としてGaAs基板上に形成されたGaInNAsチャネル層を有するHEMTを図14に示す。このHEMTでは、半絶縁性GaAs基板11上に0.5μmのアンドープGaAsバッファ層12が設けられ、このバッファ層12の上に、厚さ15nmのアンドープGaInNAsチャネル層13が形成されている。さらに、その上に、膜厚2nmのアンドープAlGaAsスペーサ層16を介してn型のAlGaAsキャリア供給層14が厚さ50nmに形成され、そのAlGaAsキャリア供給層14上に電極18が蒸着により形成されている。スペーサ層16とキャリア供給層14のAl組成は共に0.28である(例えば、特許文献2参照)。
特開平5−36726号公報 特開2000−164852号公報
FIG. 14 shows a HEMT having a GaInNAs channel layer formed on a GaAs substrate as a second conventional example. In this HEMT, an undoped GaAs buffer layer 12 having a thickness of 0.5 μm is provided on a semi-insulating GaAs substrate 11, and an undoped GaInNAs channel layer 13 having a thickness of 15 nm is formed on the buffer layer 12. Furthermore, an n-type AlGaAs carrier supply layer 14 is formed to a thickness of 50 nm via an undoped AlGaAs spacer layer 16 having a thickness of 2 nm, and an electrode 18 is formed on the AlGaAs carrier supply layer 14 by vapor deposition. Yes. Both the Al composition of the spacer layer 16 and the carrier supply layer 14 is 0.28 (see, for example, Patent Document 2).
Japanese Patent Laid-Open No. 5-36726 JP 2000-164852 A

しかし、第1の従来例では、上述のようにInAs層8を挿入した場合には、格子不整合が生じ、臨界膜厚以上で欠陥が発生してしまう。このため、チャネル層の厚みを臨界膜厚以上にはできず、充分なキャリア密度が実現できなかったために特性改善が不十分であった。   However, in the first conventional example, when the InAs layer 8 is inserted as described above, lattice mismatch occurs, and defects occur beyond the critical film thickness. For this reason, the thickness of the channel layer cannot be increased beyond the critical film thickness, and sufficient carrier density cannot be realized, so that the characteristic improvement is insufficient.

一方、第2の従来例は、InGaAs層をGaAs基板11上に形成する場合における、InGaAs層のGaAs基板への格子整合のしにくさに起因する特性上の課題を解決するために、チャネル層を構成するInGaAsにNを導入したものである。このような第2の従来例では、GaInNAsからなるチャネル層13がGaAs基板11に格子整合することにより、GaAs基板11上にInGaAsチャネル層を形成する場合に比べると、確かに特性が改善されている。しかしながら、InP基板上にInGaAsチャネル層が形成される第1の従来例を超える特性は、実現できていなかった。   On the other hand, in the second conventional example, in order to solve the characteristic problem caused by the difficulty of lattice matching of the InGaAs layer to the GaAs substrate when the InGaAs layer is formed on the GaAs substrate 11, the channel layer N is introduced into InGaAs constituting the structure. In such a second conventional example, the channel layer 13 made of GaInNAs is lattice-matched to the GaAs substrate 11, so that the characteristics are certainly improved as compared with the case where the InGaAs channel layer is formed on the GaAs substrate 11. Yes. However, characteristics exceeding the first conventional example in which an InGaAs channel layer is formed on an InP substrate have not been realized.

本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、電子移動度が向上し、それにより高速動作が可能なヘテロ電界効果トランジスタ及びその製造方法並びに送受信装置を提供することを目的としている。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a hetero field effect transistor capable of improving electron mobility and thereby enabling high-speed operation, a manufacturing method thereof, and a transmitting / receiving device. Yes.

上記目的を達成するために、本発明に係るヘテロ電界効果トランジスタは、基板と、前記基板上にバッファ層を介して形成されたチャネル層と、前記チャネル層より大きいバンドギャップを有する半導体で構成され該チャネル層とヘテロ接合するよう形成されたスペーサ層と、前記スペーサ層に隣接するように形成されたキャリア供給層とを備え、前記基板がInPからなり、前記チャネル層が、化学式GaIn1-x1-yで表され、前記AがAs又はSbであり、前記組成xが0≦x≦0.2であり、かつ前記組成yが0.03≦y≦0.10である化合物半導体層を有し、前記AがAsであり、前記チャネル層が、第1のチャネル層と該第1のチャネル層に隣接し前記スペーサ層とヘテロ接合する第2のチャネル層とを有し、前記第1のチャネル層が前記化合物半導体層で構成され、前記第2のチャネル層がInAs層で構成されている。 In order to achieve the above object, a hetero field effect transistor according to the present invention includes a substrate, a channel layer formed on the substrate via a buffer layer, and a semiconductor having a larger band gap than the channel layer. A spacer layer formed in a heterojunction with the channel layer; and a carrier supply layer formed adjacent to the spacer layer, wherein the substrate is made of InP, and the channel layer has the chemical formula Ga x In 1. -x N y A 1-y, where A is As or Sb, the composition x is 0 ≦ x ≦ 0.2, and the composition y is 0.03 ≦ y ≦ 0.10. A compound semiconductor layer, wherein A is As, and the channel layer includes a first channel layer and a second channel layer adjacent to the first channel layer and heterojunction with the spacer layer. And Serial first channel layer formed of the compound semiconductor layer, the second channel layer is composed of InAs layer.

x=0であってもよい。   x = 0 may be sufficient.

前記第1のチャネル層のN濃度が前記第2のチャネル層に近づくに連れて低くなっていてもよい。   The N concentration of the first channel layer may be lowered as it approaches the second channel layer.

前記第1のチャネル層の上面及び下面に隣接するように一対の前記第2のチャネル層が形成され、前記一対の第2のチャネル層にヘテロ接合するように一対の前記スペーサ層が形成され、前記一対のスペーサ層に隣接するように一対の前記キャリア供給層が形成されていてもよい。   A pair of the second channel layers are formed adjacent to the upper surface and the lower surface of the first channel layer, and the pair of spacer layers are formed so as to be heterojunction with the pair of second channel layers, A pair of the carrier supply layers may be formed adjacent to the pair of spacer layers.

0<xであってもよい。   0 <x may be sufficient.

3y≦x≦0.2をさらに満たしていてもよい。   It may further satisfy 3y ≦ x ≦ 0.2.

0.1≦x≦0.2を満たしていてもよい。   0.1 ≦ x ≦ 0.2 may be satisfied.

前記第1のチャネル層が、0<xの前記化合物半導体であるGaInNAs層とInAs層とが交互に積層されてなる多重量子井戸構造のGaInNAs/InAsMQW層で構成されていてもよい。   The first channel layer may be composed of a GaInNAs / InAsMQW layer having a multiple quantum well structure in which GaInNAs layers and InAs layers, which are the compound semiconductors with 0 <x, are alternately stacked.

前記第1のチャネル層が、x=0の化合物半導体であるInNAs層とInAs層とが交互に積層されてなる多重量子井戸構造のInNAs/InAsMQW層で構成されていてもよい。   The first channel layer may include an InNAs / InAsMQW layer having a multiple quantum well structure in which InNAs layers and InAs layers, which are compound semiconductors with x = 0, are alternately stacked.

また、本発明に係るヘテロ電界効果トランジスタの製造方法は、基板上にバッファ層を介してチャネル層を形成するチャネル層形成工程と、前記チャネル層より大きいバンドギャップを有する半導体でからなるスペーサ層を該チャネル層とヘテロ接合するよう形成するスペーサ層形成工程と、前記スペーサ層に隣接するようにキャリア供給層を形成するキャリア層形成工程とを有し、前記基板がInPからなり、前記チャネル層が、化学式GaIn1-x1-yで表され、前記AがAs又はSbであり、前記組成xが0≦x≦0.2であり、かつ前記組成yが0.03≦y≦0.10である化合物半導体層を有し、前記InP基板の上にInAlAsからなる前記バッファ層を形成するバッファ層形成工程を有し、前記チャネル層形成工程が、前記バッファ層の上にInNAsからなる第1のチャネル層を形成する第1のチャネル層形成工程と、前記第1のチャネル層の上にInAsからなる第2のチャネル層を形成する第2のチャネル層形成工程とを有し、前記スペーサ層形成工程において、前記第2のチャネル層の上にInAlAsからなる前記スペーサ層を形成してもよい。このような構成とすると、チャネル層とスペーサ層との界面を形成する際に、N原子とAl原子とが同時に存在しないこととなるので、良好な界面が形成される。 In addition, a method for manufacturing a hetero field effect transistor according to the present invention includes a channel layer forming step of forming a channel layer on a substrate via a buffer layer, and a spacer layer made of a semiconductor having a larger band gap than the channel layer. A spacer layer forming step for forming a heterojunction with the channel layer; and a carrier layer forming step for forming a carrier supply layer adjacent to the spacer layer, wherein the substrate is made of InP, and the channel layer has Represented by the chemical formula Ga x In 1-x N y A 1-y , the A is As or Sb, the composition x is 0 ≦ x ≦ 0.2, and the composition y is 0.03 ≦ has a compound semiconductor layer is a y ≦ 0.10, a buffer layer forming step of forming the buffer layer made of InAlAs on the InP substrate, said channel layer form A step of forming a first channel layer made of InNAs on the buffer layer, and a second channel layer made of InAs on the first channel layer. 2 channel layer forming step, and in the spacer layer forming step, the spacer layer made of InAlAs may be formed on the second channel layer. With such a configuration, when the interface between the channel layer and the spacer layer is formed, N atoms and Al atoms do not exist at the same time, so that a good interface is formed.

また、本発明に係る送受信装置は、請求項1記載のヘテロ電界効果トランジスタを送信信号又は受信信号の処理のために備えている。   A transmitting / receiving apparatus according to the present invention includes the hetero field effect transistor according to claim 1 for processing a transmission signal or a reception signal.

本発明は、以上に説明したような構成を有し、ヘテロ電界効果トランジスタにおいて高速動作が可能になるという効果を奏する。   The present invention has the configuration as described above, and has an effect of enabling high-speed operation in a hetero field effect transistor.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
{本発明の概念}
最初に本発明の概念を説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
{Concept of the present invention}
First, the concept of the present invention will be described.

本発明のヘテロ電界効果トランジスタは、InP基板の上にGa及びNが所定範囲の組成比を有するGaInNAsがチャネル層として形成されていることを特徴としている。本発明においては、このGaInNAsには、Gaの組成比が0の場合の態様として、InNAsが含まれる。換言すれば、第1の従来例において、InGaAsチャネル層のGaの組成比を所定値に設定しかつInGaAsチャネル層に所定の組成比となるように窒素(N)を添加した構成を有している。   The hetero field effect transistor of the present invention is characterized in that GaInNAs having a composition ratio of Ga and N in a predetermined range is formed as a channel layer on an InP substrate. In the present invention, this GaInNAs includes InNAs as an embodiment when the Ga composition ratio is zero. In other words, the first conventional example has a configuration in which the Ga composition ratio of the InGaAs channel layer is set to a predetermined value and nitrogen (N) is added to the InGaAs channel layer so as to have a predetermined composition ratio. Yes.

まず、InGaAs結晶にN原子を添加することによる効果を、図2(a),(b),3図(a),(b)を用いて簡単に説明する。   First, the effect of adding N atoms to an InGaAs crystal will be briefly described with reference to FIGS. 2 (a), 2 (b), 3 (a), and (b).

図2(a)はInGaAsのバンド構造を示す図、図2(b)はGaInNAsのバンド構造を示す図である。また、図3(a)は図2(a)のΓ点のエネルギ状態を拡大して示す図、図3(b)は図2(b)のΓ点のエネルギ状態を拡大して示す図である。図2(a),(b)では、横軸はK空間上の位置を表し、縦軸はエネルギを表している。図3(a),(b)では、横軸は運動量を表し、縦軸はエネルギを表している。   FIG. 2A shows a band structure of InGaAs, and FIG. 2B shows a band structure of GaInNAs. 3A is an enlarged view showing the energy state at the Γ point in FIG. 2A, and FIG. 3B is an enlarged view showing the energy state at the Γ point in FIG. 2B. is there. 2A and 2B, the horizontal axis represents the position in the K space, and the vertical axis represents energy. 3A and 3B, the horizontal axis represents momentum, and the vertical axis represents energy.

また、図2(a),(b)はシミュレーションによって求めたものであり、従来例では、InP基板の上にIn0.5Ga0.5As結晶層が形成され、本発明では、InP基板の上にGa0.5In0.50.125As0.875結晶層が形成されていると仮定している。 2A and 2B are obtained by simulation. In the conventional example, an In 0.5 Ga 0.5 As crystal layer is formed on an InP substrate. In the present invention, a Ga layer is formed on an InP substrate. It is assumed that a 0.5 In 0.5 N 0.125 As 0.875 crystal layer has been formed.

図2(a)において、In0.5Ga0.5As結晶の伝導帯34のバンド構造では、Γ点のエネルギレベルが最も低く、このΓ点を電子が走行する。図3(a)において、バルクのInGaAsの場合は、点線41で示すようにエネルギが運動量の2乗に比例する関係を有している。InGaAs層を井戸層とする量子井戸構造の場合には、太い実線42で示すようにエネルギは量子化して階段状のバンド構造となり、電子のフェルミ分布46との重なり積分より細い実線43で示すような電子密度をとる。 In FIG. 2A, in the band structure of the conduction band 34 of the In 0.5 Ga 0.5 As crystal, the energy level at the Γ point is the lowest, and electrons travel through this Γ point. In FIG. 3A, in the case of bulk InGaAs, as indicated by a dotted line 41, energy has a relationship proportional to the square of momentum. In the case of a quantum well structure having an InGaAs layer as a well layer, the energy is quantized into a step-like band structure as shown by a thick solid line 42, as shown by a solid line 43 thinner than the overlap integral with the electron Fermi distribution 46. Take high electron density.

一方、図2(b)に示すように、Ga0.5In0.50.125As0.875結晶の場合には、W点付近のエネルギ状態が平坦となっており、窒素を添加した効果が現れている。この、窒素のレベルの存在によりΓ点のエネルギが低下するが、L点でのエネルギはほとんど低下していない。このことから、Γ点とL点のエネルギ差ΔΓLは窒素を添加することで増加することがわかる。後ほど説明するが、このΔΓLが大きいほど電子のドリフト速度の最大値が増加することがわかっており、窒素の添加のメリットが存在している。しかしながら、図3(b)に示すように、Γ点付近を拡大して示すとバルクのGaInNAsのエネルギ分布48は、運動量に対しその2乗の関係から外れてきてエネルギの増加量が低下してしまう。これは、窒素原子を添加することにより窒素原子に由来するバンド47が形成され、その結果、InGaAs固有のバンド41(図3(a)参照)とのミキシングが生じてしまうためである。バンドのミキシングが生じた場合には、図3(b)に示すように、窒素原子に由来するバンド47とInGaAs固有のバンド41とが反発するためにInGaAs固有のバンドが窒素原子に由来するバンド47に近づくにつれて同一の運動量におけるエネルギが減少してしまう。また、運動量が0の場合でも、窒素原子に由来するバンド47とInGaAs固有のバンド41とのミキシングは存在するために、GaInNAsのエネルギ分布48の曲率は運動量が0であっても大きくなる。 On the other hand, as shown in FIG. 2B, in the case of Ga 0.5 In 0.5 N 0.125 As 0.875 crystal, the energy state near the W point is flat, and the effect of adding nitrogen appears. Although the energy at the Γ point decreases due to the presence of the nitrogen level, the energy at the L point hardly decreases. From this, it can be seen that the energy difference ΔΓL between the Γ point and the L point increases by adding nitrogen. As will be described later, it is known that the maximum value of the drift velocity of electrons increases as ΔΓL increases, and there is a merit of adding nitrogen. However, as shown in FIG. 3B, when the vicinity of the Γ point is enlarged, the energy distribution 48 of the bulk GaInNAs deviates from the square relationship with respect to the momentum, and the amount of increase in energy decreases. End up. This is because a band 47 derived from a nitrogen atom is formed by adding a nitrogen atom, and as a result, mixing with the band 41 (see FIG. 3A) unique to InGaAs occurs. When band mixing occurs, as shown in FIG. 3B, the band 47 derived from nitrogen atoms and the band 41 inherent to InGaAs repel each other, so the band inherent to InGaAs is derived from nitrogen atoms. As the value approaches 47, the energy at the same momentum decreases. Even when the momentum is 0, the curvature of the energy distribution 48 of GaInNAs becomes large even if the momentum is 0 because the band 47 derived from nitrogen atoms and the band 41 inherent to InGaAs exist.

別な観点として電子の有効質量から、窒素原子添加の効果を説明する。バンドの曲率が大きくなることは、電子の有効質量が大きくなることを意味しており、窒素原子に由来するバンド47のエネルギの運動量依存性は直線的であるため、曲率が大きく、有効質量が大きいことになる。一方、InGaAs固有のバンドは曲率が小さいため、有効質量も小さい。従って、窒素原子を添加すると、InGaAsに有効質量の大きな窒素原子のバンドがミキシングを起こすので、GaInNAsの有効質量はInGaAsより大きくなるわけであり、これはGaInNAsのエネルギ分布48の曲率が大きくなることと等価となるのである。   As another viewpoint, the effect of adding nitrogen atoms will be described from the effective mass of electrons. An increase in the curvature of the band means an increase in the effective mass of the electrons. Since the energy momentum dependence of the band 47 derived from the nitrogen atom is linear, the curvature is large and the effective mass is It will be big. On the other hand, since the band inherent to InGaAs has a small curvature, the effective mass is also small. Therefore, when nitrogen atoms are added, a band of nitrogen atoms having a large effective mass is mixed in InGaAs, so that the effective mass of GaInNAs is larger than that of InGaAs, which means that the curvature of the energy distribution 48 of GaInNAs is increased. Is equivalent to

次に、窒素原子を添加してバンドの曲率が大きくなったことによる電子デバイスに与える影響に関して説明を行う。ヘテロ構造を有する電子デバイスとして使用する場合には一般的にスペーサ層とチャネル層とのヘテロ界面に電子が局在するために、エネルギ状態は量子化されて、階段状のエネルギ分布を有する。その結果、階段状になっているところで、エネルギが急激に変化するため、その部分で電子の存在できる状態(状態密度)が大きくなる。スペーサ層とチャネル層とのエネルギ差を大きくするほど、また有効質量が小さくなるほど、階段の段数は少なくなる。一方、室温の場合に、電子がどの程度高いエネルギまで存在できるかを示しているのがフェルミ分布46である。電子の存在できる状態である状態密度に、電子のフェルミ分布の積を取ると特定のエネルギにおける電子密度が求められる。この、電子密度を大きくするには、(1)チャネル層のバンドギャップを小さくして、フェルミレベルに近づけることでフェルミ分布との積を大きくする、(2)階段部のエネルギ差を小さくして、高次の量子レベルをフェルミレベルに近づけることで、フェルミ分布との積を大きくする、(3)有効質量を大きくして状態密度自体を大きくする、という3つの方法がある。チャネル層に窒素原子を添加することにより、(1)バンドギャップが減少する(窒素原子の添加により格子整合するためのInの添加量が増加するためさらにバンドギャップが減少する)、(2)有効質量が大きくなるので段差が減少する、(3)有効質量が大きくなるので状態密度が増加する、といった結果から、窒素原子を添加することにより電子の密度が増加して、大きな電界を印加した場合でも電子がΓ点からL点へオーバフローしにくくなるというメリットを有する。これは、チャネル長を短くしていった場合に動作速度が飽和しにくくなったり、ガン発振を生じなくなったりして、極めて有効になる。   Next, the influence on the electronic device due to the increase in the curvature of the band by adding nitrogen atoms will be described. When used as an electronic device having a heterostructure, since electrons are generally localized at the heterointerface between the spacer layer and the channel layer, the energy state is quantized to have a stepwise energy distribution. As a result, since the energy changes abruptly at the stepped shape, the state (state density) where electrons can exist in that portion increases. The larger the energy difference between the spacer layer and the channel layer and the smaller the effective mass, the smaller the number of steps. On the other hand, the Fermi distribution 46 indicates how much energy electrons can exist at room temperature. Taking the product of the Fermi distribution of electrons from the density of states where electrons can exist, the electron density at a specific energy is obtained. To increase the electron density, (1) reduce the band gap of the channel layer and increase the product with the Fermi distribution by bringing it closer to the Fermi level, and (2) reduce the energy difference of the staircase. There are three ways to increase the product with the Fermi distribution by bringing the higher-order quantum level closer to the Fermi level, and (3) increasing the effective mass to increase the state density itself. By adding nitrogen atoms to the channel layer, (1) the band gap decreases (addition of nitrogen to increase the amount of In for lattice matching by adding nitrogen atoms further reduces the band gap), (2) effective As the mass increases, the level difference decreases. (3) The effective density increases, so the density of states increases. From the results of adding nitrogen atoms, the electron density increases and a large electric field is applied. However, there is a merit that electrons do not easily overflow from the Γ point to the L point. This is extremely effective when the channel length is shortened and the operation speed becomes difficult to saturate or gun oscillation does not occur.

以上のように、窒素原子を添加することで、有効質量が増加して移動度は減少するが、ΔΓLが増加し、状態密度が増加するメリットがある。そこで、これらの影響がどの程度期待できるかを定量的に評価した。その結果を図4の表に示す。この表には、その検討において得られた物性値が示されている。これらの物性値を明らかにしたことで、本発明のへテロ電界効果トランジスタの実現や評価が可能となった。電子の弱電界での移動度(ホール移動度)μ1とΔΓLとから電界を印加した場合の電子速度を計算した結果を図5に示す。これから、電子の速度は電界をかけるに従って増加するが、電子速度が最大になる点vd以上の電界を印加しても電子速度はかえって低下してしまう。これは、図5左端部に示したように、電界が低い場合には電子は、その有効質量が小さく移動度の大きいΓ点に存在するために、電子速度は電界をかけるにしたがって増加するが、それ以上の電界をかけた場合には電子がL点まで溢れ出してしまう。L点では有効質量m*が大きく移動度が小さいためにトータルの移動度が低下して電子速度も低下することになる。この電子速度の最大値をvdとして、図4に示してある。図4から明らかなように、電子速度の最大値vdは、GaInNAs<GaAs<InP<InGaAs<InNAs<InAsの順で大きくなっているが、これはGaAsよりInPのほうがΔΓLが大きいためであり、InGaAsやInAsはさらにμ1も大きいためである。ここで、GaInNAsの場合には、ΔΓLは大きいがμ1が極端に小さくなるために、電子速度の最大値vdはGaAs以下に低下してしまう。一方、InNAsの場合には、InGaAsに比べてμ1は低下するもののΔΓLが大きいために、結果的にInGaAs(vd=3.96×105m/s)より大きいvd(=4.47×105m/s)が得られている。その結果、チャネル層をInGaAs層に代えてInNAs層とすることで、電子速度が増大し、動作速度が20%程度改善されることが判明した。 As described above, the addition of nitrogen atoms increases the effective mass and decreases the mobility, but has the advantage of increasing ΔΓL and increasing the density of states. Therefore, we quantitatively evaluated how much of these effects can be expected. The results are shown in the table of FIG. This table shows the physical property values obtained in the study. By clarifying these physical property values, the hetero field effect transistor of the present invention can be realized and evaluated. FIG. 5 shows the result of calculating the electron velocity when an electric field is applied from the mobility (hole mobility) μ1 of the electron in a weak electric field and ΔΓL . From this, the electron velocity increases as the electric field is applied, but even if an electric field equal to or higher than the point v d at which the electron velocity is maximized is applied, the electron velocity is reduced. As shown in the leftmost part of FIG. 5, when the electric field is low, electrons are present at the Γ point where the effective mass is small and the mobility is high, so the electron velocity increases as the electric field is applied. When an electric field higher than that is applied, electrons overflow to the L point. At point L, since the effective mass m * is large and the mobility is small, the total mobility is lowered and the electron velocity is also lowered. FIG. 4 shows the maximum value of the electron velocity as v d . As is apparent from FIG. 4, the maximum value of electron velocity v d increases in the order of GaInNAs <GaAs <InP <InGaAs <InNAs <InAs. This is because ΔΓL is larger in InP than in GaAs. This is because InGaAs and InAs are even larger by μ1. Here, in the case of GaInNAs, ΔΓL is large, but μ1 becomes extremely small, so that the maximum value of electron velocity v d falls below GaAs. On the other hand, in the case of InNAs, in order delta GanmaL large although μ1 is reduced compared to InGaAs, resulting in InGaAs (v d = 3.96 × 10 5 m / s) greater than v d (= 4. 47 × 10 5 m / s) is obtained. As a result, it has been found that by replacing the channel layer with an InNAs layer instead of an InGaAs layer, the electron velocity is increased and the operation speed is improved by about 20%.

つまり、チャネル層をInGaAs層に代えてGaInNAs層とすると、電子速度が低下して動作速度が低下するが、チャネル層をInGaAs層に代えてInNAs層とすると、電子速度が増大して動作速度が20%程度向上する。それ故、チャネル層を、InGaAs層に代えて、ある範囲のGaの組成比を有するGaInNAs層とすることにより、電子速度が増大して動作速度が向上することが判明した。   In other words, when the channel layer is replaced with an InGaAs layer and a GaInNAs layer is used, the electron velocity is reduced and the operating speed is reduced. Improve by about 20%. Therefore, it has been found that, when the channel layer is a GaInNAs layer having a Ga composition ratio in a certain range instead of the InGaAs layer, the electron velocity is increased and the operation speed is improved.

次に、このGaInNAs層におけるGa及びNの組成比の好ましい範囲を説明する。   Next, a preferable range of the composition ratio of Ga and N in this GaInNAs layer will be described.

図6は本発明のチャネル層を構成するGaInNAs4元系化合物
におけるGa及びNの組成比(以下、濃度(正確には原子濃度)ともいう)の好ましい範囲を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing a preferred range of the composition ratio of Ga and N (hereinafter also referred to as concentration (to be precise, atomic concentration)) in the GaInNAs quaternary compound constituting the channel layer of the present invention.

図6に示すように、本件発明者の検討の結果、Ga濃度が0%以上20%以下の範囲でかつN濃度が3%以上10%以下の範囲である領域(以下、本発明の領域という)63において、InP基板上に欠陥を生じることなくGaInNAs層を成長できることが判った。図6において、符号61は、InPに格子整合するGa組成とN組成との関係を表す直線を示す。GaInNAsの組成を、GaIn1-xAs1-yと表した場合、この直線は、x=0.47−6.7yとなる。従来はx=0.47−3y程度といわれており、N濃度は15%程度必要とされてきたが、窒素イオンを磁界によるフィルタでマススペクトロメトリーの原理に基づいて、クラスターを形成していないイオンを選別することにより、これを基板表面に均一に供給するとともに、結晶成長温度を最適な温度である550℃にすることで、N原子がGaInAs中に均一に分散して、より低いN原子濃度で、InPに格子整合することがわかった。その結果、N濃度が局所的に増加してバンドギャップが小さくなる現象がなくなり、より少ないN濃度で、格子整合とバンドの安定したシフトとが可能になった。特に、N濃度が3%以上7%以下の場合には、チャネル層に圧縮歪が生じ、15000cm2/Vs前後のホール移動度が安定して得られた。これは、Ga濃度が20%以下になると電子の有効質量が急激に減少してホール移動度が増大するためと考えられる。後述する実施の形態1では、InP基板に格子整合する組成を有するInN0.07As0.93(図6の1)の組成)でチャネル層を構成したが、上記本発明の領域63の範囲内の組成であれば、15000cm2/Vs以上の高いホール移動度が得られた。本発明の領域63は、チャネル層の膜厚を10nm以上とするために格子歪が±1.5%以内となるように設定されている。 As shown in FIG. 6, as a result of the study by the present inventors, a region where the Ga concentration is in the range of 0% to 20% and the N concentration is in the range of 3% to 10% (hereinafter referred to as the region of the present invention) ) 63, it was found that a GaInNAs layer can be grown on the InP substrate without causing defects. In FIG. 6, reference numeral 61 indicates a straight line representing the relationship between the Ga composition and the N composition lattice-matched to InP. If the composition of the GaInNAs, expressed as Ga x In 1-x N y As 1-y, this line becomes x = 0.47-6.7y. Conventionally, it is said that x = 0.47-3y, and the N concentration has been required to be about 15%, but a cluster is not formed based on the principle of mass spectrometry by filtering nitrogen ions with a magnetic field. By sorting the ions uniformly and supplying them to the substrate surface, the crystal growth temperature is set to an optimum temperature of 550 ° C., so that N atoms are uniformly dispersed in GaInAs, and lower N atoms It was found that the lattice matched to InP at the concentration. As a result, the phenomenon in which the N concentration locally increases and the band gap decreases is eliminated, and lattice matching and stable band shift are possible with a smaller N concentration. In particular, when the N concentration was 3% or more and 7% or less, compressive strain was generated in the channel layer, and hole mobility around 15000 cm 2 / Vs was stably obtained. This is considered to be because when the Ga concentration is 20% or less, the effective mass of electrons decreases rapidly and the hole mobility increases. In the first embodiment to be described later, the channel layer is composed of InN 0.07 As 0.93 (composition of 1 in FIG. 6) having a composition lattice-matched to the InP substrate. However, the composition is within the range of the region 63 of the present invention. If so, a high hole mobility of 15000 cm 2 / Vs or higher was obtained. The region 63 of the present invention is set so that the lattice strain is within ± 1.5% in order to make the channel layer thickness 10 nm or more.

以上の説明をまとめると、本発明のチャネル層を構成するGaInNAsのGa及びNの組成比は、Ga濃度が0%以上20%以下の範囲でかつN濃度が3%以上10%以下の範囲であることが好ましい。Ga濃度が20%以下になると電子の有効質量が急激に減少してホール移動度が増大するからである。また、N濃度が3%未満であると、電子速度の増大による動作速度の向上が不十分であり、N濃度が10%を越えると、InP基板に対する格子不整合が生じるからである。また、N濃度が3%以上7%以下の範囲であることがさらに好ましい。この範囲であると、チャネル層に圧縮歪が生じ、高い(ここでは15000cm2/Vs前後)ホール移動度が安定して得られるからである。 To summarize the above description, the Ga and N composition ratio of GaInNAs constituting the channel layer of the present invention is such that the Ga concentration is in the range of 0% to 20% and the N concentration is in the range of 3% to 10%. Preferably there is. This is because when the Ga concentration is 20% or less, the effective mass of electrons is rapidly reduced and the hole mobility is increased. Further, when the N concentration is less than 3%, the operation speed is not improved sufficiently by increasing the electron velocity, and when the N concentration exceeds 10%, lattice mismatch with the InP substrate occurs. The N concentration is more preferably in the range of 3% to 7%. This is because, within this range, compressive strain is generated in the channel layer, and high (here, around 15000 cm 2 / Vs) hole mobility can be stably obtained.

以下、この本発明の概念を具体化した実施の形態を順次説明する。
参考例1
図1は本発明の参考例1に係るヘテロ電界効果トランジスタの構成を示す断面図である。
Hereinafter, embodiments embodying the concept of the present invention will be sequentially described.
( Reference Example 1 )
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a hetero field effect transistor according to Reference Example 1 of the present invention.

図1に示すように、このヘテロ電界効果トランジスタは、InP基板21を有している。InP基板21の上には、InAlAsバッファ層22、InNAsチャネル層23、InAlAs第1スペーサ層25a、n−InAlAsキャリア供給層26、InAlAs第2スペーサ層25bが順に積層されている。InAlAs第2スペーサ層25bの上にはゲート電極を構成する電極29aが形成され、電極29aの両側に間隔を置いて、ソース電極及びドレイン電極を構成する一対の電極29b,29cが形成されている。電極29b,29cは、InAlAs第2スペーサ層25b上にn−InGaAsコンタクト層28を介して形成されている。   As shown in FIG. 1, this hetero field effect transistor has an InP substrate 21. On the InP substrate 21, an InAlAs buffer layer 22, an InNAs channel layer 23, an InAlAs first spacer layer 25a, an n-InAlAs carrier supply layer 26, and an InAlAs second spacer layer 25b are sequentially stacked. An electrode 29a constituting a gate electrode is formed on the InAlAs second spacer layer 25b, and a pair of electrodes 29b and 29c constituting a source electrode and a drain electrode are formed at intervals on both sides of the electrode 29a. . The electrodes 29b and 29c are formed on the InAlAs second spacer layer 25b via the n-InGaAs contact layer 28.

次に、このように構成されたヘテロ電界効果トランジスタの製造方法を説明する。   Next, a manufacturing method of the hetero field effect transistor configured as above will be described.

この製造方法においては、ガスソースMBE(Molecular Beam Epitaxy)法を用いた。原料ガスは、PH,AsH,N,In,Ga,Siである。Nは、プラズマ源でN原子に分解して供給している。PHとAsHは熱により分解して供給している。PHを供給しながら550℃まで昇温し、半絶縁性InP基板21上に、i‐InAlAsバッファ層(膜厚500nm)22、InNAsチャネル層(20nm)23、i‐InAlAsスペーサ層(5nm)25a、n+‐InAlAsキャリア供給層(10nm、n型不純物濃度n=1019cm-3)26、i‐InAlAsスペーサ層(20nm)25b、n+‐InGaAsコンタクト層(100nm)28を成長した。その後、ゲート領域のコンタクト層28をエッチングにより除去し、所定の領域にゲート電極、ソース電極、ドレイン電極を構成する電極金属29a,29b,29cを蒸着によりそれぞれ形成した。ゲート長は0.2μmとし、ゲート幅は200μmとした。その結果、InP基板上にInGaAs層を形成した場合のホール移動度が10000cm2/Vsであるのに対し、本参考例では、ホール移動度が12000cm2/Vsから15000cm2/Vsの範囲の値になるとともに、ヘテロ電界効果トランジスタの動作速度fが、InP基板上にInGaAs層を形成した場合には200GHzであるのに対し、本参考例では、250GHzから300GHzの範囲の値に増加することがわかった。
実施の形態1
図7は本発明の実施の形態1に係るヘテロ電界効果トランジスタの構成を示す断面図である。図7において図1と同一符号は同一又は相当する部分を示す。
In this manufacturing method, a gas source MBE (Molecular Beam Epitaxy) method was used. The source gas is PH 3 , AsH 3 , N 2 , In, Ga, or Si. N 2 is supplied after being decomposed into N atoms by a plasma source. PH 3 and AsH 3 are supplied by being decomposed by heat. The temperature is raised to 550 ° C. while supplying PH 3 , and an i-InAlAs buffer layer (film thickness 500 nm) 22, an InNAs channel layer (20 nm) 23, and an i-InAlAs spacer layer (5 nm) are formed on the semi-insulating InP substrate 21. 25a, n + -InAlAs carrier supply layer (10 nm, n-type impurity concentration n = 10 19 cm −3 ) 26, i-InAlAs spacer layer (20 nm) 25b, and n + -InGaAs contact layer (100 nm) 28 were grown. Thereafter, the contact layer 28 in the gate region was removed by etching, and electrode metals 29a, 29b, and 29c constituting the gate electrode, the source electrode, and the drain electrode were formed in predetermined regions by vapor deposition, respectively. The gate length was 0.2 μm and the gate width was 200 μm. As a result, the hole mobility when the InGaAs layer is formed on the InP substrate is 10000 cm 2 / Vs, whereas in this reference example , the hole mobility is in the range of 12000 cm 2 / Vs to 15000 cm 2 / Vs. At the same time, the operating speed f T of the hetero-field effect transistor is 200 GHz when the InGaAs layer is formed on the InP substrate, whereas in this reference example , the operating speed f T is increased to a value in the range of 250 GHz to 300 GHz. I understood.
( Embodiment 1 )
FIG. 7 is a cross-sectional view showing the configuration of the hetero field effect transistor according to Embodiment 1 of the present invention. 7, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same or corresponding parts.

図7に示すように、本実施の形態では、チャネル層が第1のチャネル層としてのInNAs層23(膜厚10nm)とInNAs層23の上に形成された第2のチャネル層としてのInAs層24(4nm)との2種類の層で構成されている。その他の点は参考例1と同様である。 As shown in FIG. 7, in this embodiment, the channel layer is an InNAs layer 23 (thickness 10 nm) as a first channel layer and an InAs layer as a second channel layer formed on the InNAs layer 23. It is composed of two types of layers of 24 (4 nm). Other points are the same as in Reference Example 1 .

このように構成した理由は、冒頭で図4及び図5を用いて説明したようにInAs層の方がInNAs層より電子速度の最大値vdが大きいことから、そのようなInAs層の利点を活用するためである。詳しく説明すると、InAsチャネル層24はInP基板21に対して3%程度の格子不整合を有しているために、4nm以上の厚みに積層することはできなかった。このように薄いInAs層を第1の従来例のようにInGaAs層内に形成した場合には、キャリアがInGaAs層に溢れ出す前にΓ点からL点への遷移が発生して動作速度が低下するといった問題があった。ところが、本実施の形態のように、InAsチャネル層24に隣接してInAsチャネル層24よりもわずかにエネルギが低いInN0.03As0.97チャネル層23(図6の2)の組成)を形成すると、InAsチャネル層24に局在するキャリアがΓ点からL点へ遷移する前にInAsチャネル層24からInNAsチャネル層23にキャリアが溢れ出すため動作速度が低下しないということが確認された。ここで、InAsチャネル層24よりInNAsチャネル層23のほうがエネルギ的に0.1eV程度低いため、キャリアがInNAsチャネル層23を優先的に走行するように考えられるが、実際にはInAsチャネル層24はバンドギャップの大きいInAlAsスペーサ層25と接合しているためにInAsチャネル層24とInAlAsスペーサ層25との界面で図8(a)に示すようにバンドが曲がるので、電子はInAsチャネル層24とInAlAsスペーサ層25との界面に閉じ込められることになる。 The reason for this configuration is that, as explained with reference to FIGS. 4 and 5 at the beginning, the InAs layer has a higher maximum electron velocity v d than the InNAs layer. It is for use. More specifically, since the InAs channel layer 24 has a lattice mismatch of about 3% with respect to the InP substrate 21, it cannot be laminated to a thickness of 4 nm or more. When such a thin InAs layer is formed in the InGaAs layer as in the first conventional example, a transition from the Γ point to the L point occurs before carriers overflow into the InGaAs layer, resulting in a decrease in operating speed. There was a problem such as. However, when the InN 0.03 As 0.97 channel layer 23 (composition 2 in FIG. 6) having a slightly lower energy than the InAs channel layer 24 is formed adjacent to the InAs channel layer 24 as in the present embodiment, InAs is formed. It has been confirmed that the operating speed does not decrease because carriers overflow from the InAs channel layer 24 to the InNAs channel layer 23 before carriers localized in the channel layer 24 transition from the Γ point to the L point. Here, since the InNAs channel layer 23 is lower in energy by about 0.1 eV than the InAs channel layer 24, it can be considered that carriers travel preferentially in the InNAs channel layer 23. Since the band is bent as shown in FIG. 8A at the interface between the InAs channel layer 24 and the InAlAs spacer layer 25 because it is joined to the InAlAs spacer layer 25 having a large gap, electrons are transferred from the InAs channel layer 24 and the InAlAs spacer. It will be confined at the interface with the layer 25.

またさらに、InAlAsスペーサ層25とInNAsチャネル層23との間にInAsチャネル層24をはさみ込むことで、結晶成長時にもN原子の供給を止めた後にしばらくしてAl原子の供給を開始すれば良く、参考例1のようにInAlAsスペーサ層25とInNAsチャネル層23との界面の形成時にAl原子とN原子とが同時に供給される状況がなくなるため良好な界面が形成される。その理由は、AlとNが同時に存在した場合には高抵抗の絶縁体であるAlNが形成されるために、界面に多くの不純物準位が形成されるが、本実施の形態の場合には、AlとNとが同時に存在しないのでAlNが形成されないためと考えられる。 Furthermore, by inserting the InAs channel layer 24 between the InAlAs spacer layer 25 and the InNAs channel layer 23, the supply of Al atoms may be started after a while after the supply of N atoms is stopped even during crystal growth. As in Reference Example 1 , when the interface between the InAlAs spacer layer 25 and the InNAs channel layer 23 is formed, there is no situation in which Al atoms and N atoms are simultaneously supplied, so that a good interface is formed. The reason is that when Al and N are present at the same time, AlN, which is a high-resistance insulator, is formed, so that a large number of impurity levels are formed at the interface. This is probably because AlN is not formed because Al and N do not exist at the same time.

ところで、参考例1及び実施の形態1ではInNAsのN濃度を一定としたが、いずれの実施の形態においてもInNAsチャネル層のなかで基板側から表面側に向ってN濃度を低減する(厚み方向において表面に近づくに連れてN濃度が低くなるようにする)ことにより、図8(b)に示すようなバンド構造となり、特に、実施の形態1では、不必要にキャリアがInAsチャネル層24からInNAsチャネル層23に流れ出すことを抑制することができた。 By the way, although the N concentration of InNAs is constant in Reference Example 1 and Embodiment 1 , the N concentration is reduced from the substrate side to the surface side in the InNAs channel layer in any embodiment (thickness direction). In FIG. 8B, the band structure as shown in FIG. 8B is obtained. In particular, in Embodiment 1 , carriers are unnecessarily removed from the InAs channel layer 24. The flow out to the InNAs channel layer 23 could be suppressed.

また、本実施の形態ではキャリア供給層を、InAlAsにSiを1原子層につき5×1012cm-2添加したδドープ領域26で形成した。その結果、ホール移動度は20000cm2/Vsに増加するとともに、ヘテロ電界効果トランジスタの動作速度fTが400〜450GHzに増加することがわかった。 In the present embodiment, the carrier supply layer is formed of the δ-doped region 26 in which Si is added to InAlAs at 5 × 10 12 cm −2 per atomic layer. As a result, it was found that the hole mobility increased to 20000 cm 2 / Vs, and the operating speed f T of the hetero field effect transistor increased to 400 to 450 GHz.

なお、本実施の形態の変形例として、図9に示すようにδドープ領域からなる第1,第2キャリア供給層26a,26bを、InAlasからなる第1,第2スペーサ層25a,25bをそれぞれ介して、InNAsチャネル層23及び第1,第2InAsチャネル層24a,24bからなるチャネル層の両側に形成し、さらにInNAsチャネル層23の両側に第1,第2InAsチャネル層24a,24bを形成したダブルチャネル構造を採用してもよい。なお、第1キャリア供給層26aとInAlAsバッファ層22との間にはInAlAs第3スペーサ層25cが形成され、第2キャリア供給層26bの上にInAlAs第4スペーサ層25dが形成されている。この構造の場合には、チャネル数の増加により流れる電流量が増加するために、単一ゲートで500mA程度の電流範囲まで500GHz程度の高速動作が実現された。また、このようにInNAs層23を挟むように一対の第1,第2InAs層24a,24bを形成することにより、第1,第2InAs層24a,24bから溢れたキャリアがInNAs層23に流入してInNAs層23内にも実質的にチャネルが形成され、それによる電流もこの電流量の増大に寄与していることがわかった。
実施の形態2
図10(a)は本発明の実施の形態2に係るヘテロ電界効果トランジスタの構成を示す断面図、図10(b)は図10(a)のチャネル層近傍のエネルギ状態を示す図である。図10(a)において図7と同一符号は同一又は相当する部分を示す。
As a modification of the present embodiment, as shown in FIG. 9, first and second carrier supply layers 26a and 26b made of a δ-doped region, and first and second spacer layers 25a and 25b made of InAlas, respectively. The first and second InAs channel layers 24a and 24b are formed on both sides of the InNAs channel layer 23 and the first and second InAs channel layers 24a and 24b. A channel structure may be employed. An InAlAs third spacer layer 25c is formed between the first carrier supply layer 26a and the InAlAs buffer layer 22, and an InAlAs fourth spacer layer 25d is formed on the second carrier supply layer 26b. In the case of this structure, since the amount of current flowing increases as the number of channels increases, high-speed operation of about 500 GHz is realized with a single gate up to a current range of about 500 mA. Further, by forming the pair of first and second InAs layers 24a and 24b so as to sandwich the InNAs layer 23, carriers overflowing from the first and second InAs layers 24a and 24b flow into the InNAs layer 23. It has been found that a channel is substantially formed also in the InNAs layer 23, and the resulting current also contributes to the increase in the amount of current.
( Embodiment 2 )
FIG. 10A is a cross-sectional view showing the configuration of the hetero field effect transistor according to Embodiment 2 of the present invention, and FIG. 10B is a diagram showing the energy state in the vicinity of the channel layer of FIG. 10A, the same reference numerals as those in FIG. 7 denote the same or corresponding parts.

図10(a)に示すように、本実施の形態では、第1のチャネル層として、実施の形態1のInNAsチャネル層23に代えて、GaInNAsチャネル層23が形成されている。その他の点は実施の形態1と同様である。 As shown in FIG. 10A, in this embodiment, a GaInNAs channel layer 23 is formed as the first channel layer in place of the InNAs channel layer 23 of the first embodiment . The other points are the same as in the first embodiment .

実施の形態1では、結晶成長を容易にするために第1のチャネル層をInNAs層23としたため、図8(a)に示すようにキャリアがInAs層24から溢れ出す心配があった。そこで、本実施の形態ではInNAsチャネル層23に代えて、InNAsにGaを添加したGaInNAsチャネル層23とすることで、バンドギャップを大きくすることを試みた。 In the first embodiment , since the first channel layer is the InNAs layer 23 to facilitate crystal growth, there is a concern that carriers overflow from the InAs layer 24 as shown in FIG. Therefore, in this embodiment, an attempt was made to increase the band gap by using the GaInNAs channel layer 23 in which Ga is added to InNAs instead of the InNAs channel layer 23.

図6にInAsと同じエネルギギャップとなるエネルギ等高線64を記入したが、本発明の領域63のうちでエネルギがエネルギ等高線64以上となる領域、すなわちGa濃度がN濃度の3倍以上(x≧3y)となる領域では、GaInNAs層のエネルギのほうがInAs層のエネルギより大きくなることがわかった。その結果、図10(b)にエネルギ状態を示すように、InAsチャネル層24(以下、単に「InAs層」ということがある)からGaInNAs層23へのキャリアの溢れ出しが抑制されることがわかった。また、GaInNAs層23の組成を、例えば、Ga0.1In0.90.03As0.97(図6の3)の組成)として、Ga濃度を0.1以上にすることにより、単一ゲートで600mA程度の大電流の範囲まで500GHz程度の高速動作が実現されることがわかった。なお、GaInNAs層を10nm、InAs層を4nmの厚みにそれぞれ形成した。 In FIG. 6, energy contour lines 64 having the same energy gap as InAs are shown. In the region 63 of the present invention, the region where the energy is higher than the energy contour line 64, that is, the Ga concentration is three times or more of the N concentration (x ≧ 3y It was found that the energy of the GaInNAs layer is larger than the energy of the InAs layer. As a result, as shown in FIG. 10B, it is found that the overflow of carriers from the InAs channel layer 24 (hereinafter sometimes simply referred to as “InAs layer”) to the GaInNAs layer 23 is suppressed. It was. Further, the composition of the GaInNAs layer 23 is, for example, Ga 0.1 In 0.9 N 0.03 As 0.97 (composition of 3 in FIG. 6), and the Ga concentration is set to 0.1 or more, so that the single gate has a large value of about 600 mA. It was found that high-speed operation of about 500 GHz was realized up to the current range. The GaInNAs layer was formed to a thickness of 10 nm and the InAs layer was formed to a thickness of 4 nm.

次に、本実施の形態の変形例を説明する。第1の変形例として、GaInNAsチャネル層23に代えて、厚み2nmのInAs層と厚み3nmのGaInNAs層とを交互に3層ずつ積層してなるGaInNAs/InAsMQWチャネル層23を形成した。このような構成するとことにより、上述の構成よりわずかに良い結果が得られた。従って、InAs層を複数層積層することが可能となり、設計条件の範囲が拡大された。   Next, a modification of the present embodiment will be described. As a first modification, instead of the GaInNAs channel layer 23, a GaInNAs / InAsMQW channel layer 23 is formed by alternately laminating 3 nm thick InAs layers and 3 nm thick GaInNAs layers. With such a configuration, a slightly better result than the above configuration was obtained. Therefore, a plurality of InAs layers can be stacked, and the range of design conditions is expanded.

この場合、GaInNAsを、Ga0.1In0.90.03As0.97の組成(図6の3)の組成)とすると1%の圧縮歪が導入されるが、Ga0.16In0.840.05As0.95の組成(図6の4)の組成)とするとInPに格子整合した条件で、InAsと同じバンドギャップとすることができる。 In this case, if GaInNAs is a composition of Ga 0.1 In 0.9 N 0.03 As 0.97 (3 in FIG. 6), a compressive strain of 1% is introduced, but a composition of Ga 0.16 In 0.84 N 0.05 As 0.95 (FIG. 6), the same band gap as that of InAs can be obtained under the condition of lattice matching with InP.

ここで、GaInNAsは、InAsに比べて伝導帯のバンドの変化量が大きいことがわかっており、GaInNAsとInAsとの伝導帯のバンドギャップを同一にすべく、Ga0.2In0.80.045As0.955の組成(図6の5)の組成)とした。その結果、キャリアのGaInNAs層への染み出しが抑制されて、動作速度が10%程度向上することがわかった。 Here, it is known that GaInNAs has a larger amount of change in the band of the conduction band than InAs. In order to make the band gap of the conduction band of GaInNAs and InAs the same, Ga 0.2 In 0.8 N 0.045 As 0.955 The composition (the composition of 5 in FIG. 6) was used. As a result, it was found that the bleeding of carriers into the GaInNAs layer was suppressed and the operation speed was improved by about 10%.

また、このMQWチャネル層23において、GaInNAs層に代えて、下記組成のInNAs層を形成してもよい。すなわち、InAs層には圧縮歪が導入されるため、InNAs層に引張歪を導入することで、複数のInAsチャネル層を安定して積層することが可能となる。InNAs層としては、1%の圧縮歪が導入されるInN0.1As0.9の組成(図6の6)の組成)までは安定して積層構造を成長できることがわかった。 In this MQW channel layer 23, an InNAs layer having the following composition may be formed instead of the GaInNAs layer. That is, since compressive strain is introduced into the InAs layer, it is possible to stably stack a plurality of InAs channel layers by introducing tensile strain into the InNAs layer. As an InNAs layer, it was found that a laminated structure can be stably grown up to a composition of InN 0.1 As 0.9 (composition 6 in FIG. 6) into which 1% of compressive strain is introduced.

以上に示したように、InAs層とGaInNAs層とを積層して使用する場合においても、Ga濃度が0から20%で、N濃度が3%から10%の範囲であれば、動作速度の向上が図れることがわかった。   As described above, even when the InAs layer and the GaInNAs layer are stacked and used, if the Ga concentration is 0 to 20% and the N concentration is in the range of 3% to 10%, the operation speed is improved. I was able to plan.

以上の実施の形態、すなわち、図6に示すチャネル層の組成ではInAsNにGaを添加することでバンドギャップの増大を実現したが、InAsNにPを添加してInAs1−y−xすることでもバンドギャップが増大する。Pの場合もGaと同様の依存性を持っているためにP組成をN濃度の3倍程度(z=3y)とする必要があることがわかった。N濃度の上限はInAs1−y−zにおいても10%以下であるため、0.03<y<0.1、0<z<0.3となる。この場合は、結晶成長を行う場合に第1チャネル層の成長後にPを完全に除去する必要があるために、成長時間が長くなるという問題はあるが、バンドギャップの変化のうち伝導帯側の変化が大きく出るために、動作電流をわずかに大きくすることが可能となった。 In the above embodiment, that is, in the channel layer composition shown in FIG. 6, the band gap is increased by adding Ga to InAsN. However, by adding P to InAsN, InAs 1−y−xN y P z also increases the band gap. In the case of P, since it has the same dependence as Ga, it has been found that the P composition needs to be about three times the N concentration (z = 3y). Since the upper limit of the N concentration is 10% or less in InAs 1-yz N y P z , 0.03 <y <0.1 and 0 <z <0.3. In this case, when crystal growth is performed, it is necessary to completely remove P after the growth of the first channel layer. Therefore, there is a problem that the growth time becomes long. Because of the large change, the operating current can be increased slightly.

また、図6に示すGaInNAsチャネル層の組成において、AsをSbに置き換えてもよい。InAsに比べてInSbのほうがより移動度が大きいためにHEMTの高速化が実現される。GaInNSbチャネル層は、GaInNAs層の場合に比べてさらに効果的と考えられる。   In the composition of the GaInNAs channel layer shown in FIG. 6, As may be replaced with Sb. Since the mobility of InSb is higher than that of InAs, the HEMT can be speeded up. The GaInNSb channel layer is considered to be more effective than the GaInNAs layer.

また、本実施の形態の第2の変形例として、図11に示すようにδドープ領域で構成された第1,第2キャリア供給層26a,26bを、InAlasからなる第1,第2スペーサ層25a,25bをそれぞれ介して、GaInAsチャネル層23、第1,第2InAsチャネル層24a,24bの両側に形成し、GaInNAsチャネル層23の両側に第1,第2InAsチャネル層24a,24bを形成したダブルチャネル構造(すなわち、図9のダブルチャネル構造において、InNAsチャネル層23をGaInNAsチャネル層23で置換した構造)を採用することができる。   Further, as a second modification of the present embodiment, as shown in FIG. 11, the first and second carrier supply layers 26a and 26b configured by the δ-doped region are replaced with first and second spacer layers made of InAlas. A double layer in which the GaInAs channel layer 23 and the first and second InAs channel layers 24a and 24b are formed on both sides of the GaInNAs channel layer 23 through the first and second InAs channel layers 24a and 24b, respectively. A channel structure (that is, a structure in which the InNAs channel layer 23 is replaced with the GaInNAs channel layer 23 in the double channel structure of FIG. 9) can be employed.

この場合には、チャネル数の増加により流れる電流量が増加することがわかった。
実施の形態3
図12は本発明の実施の形態3に係る送受信装置の構成を示すブロック図である。
In this case, it has been found that the amount of current flowing increases as the number of channels increases.
( Embodiment 3 )
FIG. 12 is a block diagram showing a configuration of a transmission / reception apparatus according to Embodiment 3 of the present invention.

本実施の形態は、実施の形態1乃至2のヘテロ電界効果トランジスタを用いた送受信装置を例示している。 This embodiment exemplifies a transmission / reception device using the hetero field effect transistor of Embodiments 1 and 2 .

図12において、送受信装置302はここでは無線端末である。この送受信装置302は、アンテナ321と、アンテナ321からの受信電波信号を増幅する受信増幅部312と、送信電波信号を増幅してこれをアンテナ321に送出する送信増幅部313と、受信増幅部312からの受信電波信号から受信信号を取り出しかつ送信信号を搬送波に重畳して送信電波信号を生成しこれを送信増幅部313に送出する制御部325とを備えている。   In FIG. 12, the transmitting / receiving device 302 is a wireless terminal here. The transmission / reception apparatus 302 includes an antenna 321, a reception amplification unit 312 that amplifies a reception radio wave signal from the antenna 321, a transmission amplification unit 313 that amplifies a transmission radio wave signal and transmits the signal to the antenna 321, and a reception amplification unit 312. A control unit 325 that extracts the reception signal from the reception radio signal from the signal and superimposes the transmission signal on a carrier wave to generate a transmission radio signal and sends it to the transmission amplification unit 313.

そして、受信増幅部312及び送信増幅部313のアンプ等に実施の形態1乃至2のヘテロ電界効果トランジスタが使用されている。このヘテロ電界効果トランジスタは上述の通り、従来例に比べて高速動作が可能であるため、本実施形態の送受信装置302は、従来例より高い周波数(例えばテラヘルツの周波数帯)にも好適に使用することができる。以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。 The hetero field effect transistors according to the first and second embodiments are used for the amplifiers of the reception amplification unit 312 and the transmission amplification unit 313. As described above, since this hetero field effect transistor can operate at a higher speed than the conventional example, the transmission / reception device 302 of this embodiment is also preferably used for a higher frequency (for example, a terahertz frequency band) than the conventional example. be able to. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

本発明に係るヘテロ電界効果トランジスタは、高周波送受信装置に用いられる半導体素子等として有用である。   The hetero field effect transistor according to the present invention is useful as a semiconductor element or the like used in a high frequency transmitting / receiving apparatus.

また、本発明に係るヘテロ電界効果トランジスタの製造方法は、高周波送受信装置に用いられる半導体素子等の製造法として有用である。   Moreover, the method for producing a hetero field effect transistor according to the present invention is useful as a method for producing a semiconductor element or the like used in a high-frequency transmitting / receiving device.

また、本発明に係る送受信装置は、無線端末等として有用である。   The transmission / reception apparatus according to the present invention is useful as a wireless terminal or the like.

本発明の参考例1に係るヘテロ電界効果トランジスタの構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the hetero field effect transistor which concerns on the reference example 1 of this invention. バンド構造を示す図であって、図2(a)はInGaAsのバンド構造を示す図、図2(b)はGaInNAsのバンド構造を示す図である。FIG. 2A is a diagram showing a band structure of InGaAs, and FIG. 2B is a diagram showing a band structure of GaInNAs. 図2のバンド構造におけるエネルギ状態を示す図であって、図3(a)は図2(a)のΓ点のエネルギ状態を拡大して示す図、図3(b)は図2(b)のΓ点のエネルギ状態を拡大して示す図である。3A and 3B are diagrams showing energy states in the band structure of FIG. 2, in which FIG. 3A is an enlarged view showing the energy state at the Γ point in FIG. 2A, and FIG. 3B is FIG. It is a figure which expands and shows the energy state of Γ point. 各種化合物半導体の結晶体における物性値を示す表である。It is a table | surface which shows the physical-property value in the crystal body of various compound semiconductors. 各種化合物半導体の結晶体における電子速度と電界との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the electron velocity and electric field in the crystal body of various compound semiconductors. 本発明のチャネル層を構成するGaInNAs4元系化合物におけるGa及びNの組成比の好ましい範囲を示す図である。It is a figure which shows the preferable range of the composition ratio of Ga and N in the GaInNAs quaternary compound which comprises the channel layer of this invention. 本発明の実施の形態1に係るヘテロ電界効果トランジスタの構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the hetero field effect transistor which concerns on Embodiment 1 of this invention. 図7のヘテロ電界効果トランジスタのチャネル層近傍のエネルギ状態を示す図である。It is a figure which shows the energy state of the channel layer vicinity of the hetero field effect transistor of FIG. 本発明の実施の形態1の変形例に係るヘテロ電界効果トランジスタの構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the hetero field effect transistor which concerns on the modification of Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態2に係るヘテロ電界効果トランジスタの構成を示す図であって、図10(a)は断面図、図10(b)は図10(a)のチャネル層近傍のエネルギ状態を示す図である。It is a figure which shows the structure of the hetero field effect transistor which concerns on Embodiment 2 of this invention, Comprising: Fig.10 (a) is sectional drawing, FIG.10 (b) shows the energy state of the channel layer vicinity of Fig.10 (a). FIG. 本発明の実施の形態1の第2の変形例に係るヘテロ電界効果トランジスタの構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the hetero field effect transistor which concerns on the 2nd modification of Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態3に係る送受信装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the transmission / reception apparatus which concerns on Embodiment 3 of this invention. 第1の従来例のヘテロ電界効果トランジスタの構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the hetero field effect transistor of a 1st prior art example. 第2の従来例のヘテロ電界効果トランジスタの構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the hetero field effect transistor of the 2nd prior art example.

符号の説明Explanation of symbols

1 電極金属
2 InGaAsキャップ層
3 InAlAsキャリア供給層
4 InAlAsスペーサ層
5 InGaAsチャネル層
6 InAlAsバッファ層
7 InP基板
11 GaAs基板
12 GaAsバッファ層
13 GaInNAsチャネル層
14 AlGaAsキャリア供給層
16 AlGaAsスペーサ層
18 電極金属
21 InP基板
22 InAlAsバッファ層
23 InNAsチャネル層等
24 InAsチャネル層
25 InAlAsスペーサ層
26 n−InAlASキャリア供給層,δドープ領域
28 n−InGaAsコンタクト層
29 電極
34 伝導帯
35 フェルミ準位
41 エネルギと運動量の関係
42 量子井戸におけるエネルギ状態
43 電子の密度
46 フェルミ分布
47 GaInNAsにおける窒素原子によるバンド
48 GaInNAsにおけるエネルギと運動量の関係
49 GaInNAsにおける量子井戸におけるエネルギ状態
50 GaInNAsにおける電子の密度
60 GaAs基板上
61 InP基板上
62 バンドギャップの窒素濃度依存性
63 本発明の領域
302 送受信装置
321 アンテナ
322 受信増幅部
323 送信増幅部
325 制御部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electrode metal 2 InGaAs cap layer 3 InAlAs carrier supply layer 4 InAlAs spacer layer 5 InGaAs channel layer 6 InAlAs buffer layer 7 InP substrate 11 GaAs substrate 12 GaAs buffer layer 13 GaInNAs channel layer 14 AlGaAs carrier supply layer 16 AlGaAs spacer layer 18 Electrode metal 21 InP substrate 22 InAlAs buffer layer 23 InNAs channel layer, etc. 24 InAs channel layer 25 InAlAs spacer layer 26 n-InAlAS carrier supply layer, δ-doped region 28 n-InGaAs contact layer 29 Electrode 34 Conductive band 35 Fermi level 41 Energy and momentum 42 Energy states in quantum wells 43 Electron density 46 Fermi distribution 47 Nitrogen atoms in GaInNAs 48 According to the relationship between energy and momentum in GaInNAs 49 Energy states in quantum wells in GaInNAs 50 Electron density in GaInNAs 60 On GaAs substrate 61 On InP substrate 62 Nitrogen concentration dependence of band gap 63 Area of the present invention 302 Transceiver 321 Antenna 322 reception amplification unit 323 transmission amplification unit 325 control unit

Claims (11)

基板と、前記基板上にバッファ層を介して形成されたチャネル層と、前記チャネル層より大きいバンドギャップを有する半導体で構成され該チャネル層とヘテロ接合するよう形成されたスペーサ層と、前記スペーサ層に隣接するように形成されたキャリア供給層とを備え、
前記基板がInPからなり、
前記チャネル層が、化学式GaIn1-x1-yで表され、前記AがAs又はSbであり、前記組成xが0≦x≦0.2であり、かつ前記組成yが0.03≦y≦0.10である化合物半導体層を有し
前記AがAsであり、
前記チャネル層が、第1のチャネル層と該第1のチャネル層に隣接し前記スペーサ層とヘテロ接合する第2のチャネル層とを有し、前記第1のチャネル層が前記化合物半導体層で構成され、前記第2のチャネル層がInAs層で構成されている、ヘテロ電界効果トランジスタ。
A substrate, a channel layer formed on the substrate via a buffer layer, a spacer layer formed of a semiconductor having a larger band gap than the channel layer, and formed to be heterojunction with the channel layer; and the spacer layer A carrier supply layer formed so as to be adjacent to
The substrate is made of InP;
Said channel layer is represented by the chemical formula Ga x In 1-x N y A 1-y, wherein A is As or Sb, the composition x is 0 ≦ x ≦ 0.2, and the composition y is Having a compound semiconductor layer of 0.03 ≦ y ≦ 0.10
A is As,
The channel layer includes a first channel layer and a second channel layer adjacent to the first channel layer and heterojunction with the spacer layer, and the first channel layer includes the compound semiconductor layer. And the second channel layer is formed of an InAs layer .
x=0である、請求項1記載のヘテロ電界効果トランジスタ。   The hetero field effect transistor of claim 1, wherein x = 0. 前記第1のチャネル層のN濃度が前記第2のチャネル層に近づくに連れて低くなっている、請求項1記載のヘテロ電界効果トランジスタ。   The hetero-field effect transistor according to claim 1, wherein the N concentration of the first channel layer decreases as the second channel layer is approached. 前記第1のチャネル層の上面及び下面に隣接するように一対の前記第2のチャネル層が形成され、前記一対の第2のチャネル層にヘテロ接合するように一対の前記スペーサ層が形成され、前記一対のスペーサ層に隣接するように一対の前記キャリア供給層が形成されている、請求項1記載のヘテロ電界効果トランジスタ。   A pair of the second channel layers are formed adjacent to the upper surface and the lower surface of the first channel layer, and the pair of spacer layers are formed so as to be heterojunction with the pair of second channel layers, The hetero field effect transistor according to claim 1, wherein the pair of carrier supply layers are formed so as to be adjacent to the pair of spacer layers. 0<xである、請求項1記載のヘテロ電界効果トランジスタ。   The hetero field effect transistor of claim 1, wherein 0 <x. 3y≦x≦0.2をさらに満たす、請求項5記載のヘテロ電界効果トランジスタ。   The hetero field effect transistor according to claim 5, further satisfying 3y ≦ x ≦ 0.2. 0.1≦x≦0.2を満たす、請求項5記載のヘテロ電界効果トランジスタ。   The hetero field effect transistor according to claim 5, wherein 0.1 ≦ x ≦ 0.2 is satisfied. 前記第1のチャネル層が、0<xの前記化合物半導体層であるGaInNAs層とInAs層とが交互に積層されてなる多重量子井戸構造のGaInNAs/InAsMQW層で構成されている、請求項1記載のヘテロ電界効果トランジスタ。   The said 1st channel layer is comprised by the GaInNAs / InAsMQW layer of the multiquantum well structure formed by alternately laminating the GaInNAs layer and InAs layer which are the said compound semiconductor layer of 0 <x. Hetero field effect transistor. 前記第1のチャネル層が、x=0の前記化合物半導体層であるInNAs層とInAs層とが交互に積層されてなる多重量子井戸構造のInNAs/InAsMQW層で構成されている、請求項1記載のヘテロ電界効果トランジスタ。   The said 1st channel layer is comprised by the InNAs / InAsMQW layer of the multiquantum well structure where the InNAs layer and InAs layer which are the said compound semiconductor layers of x = 0 are laminated | stacked alternately. Hetero field effect transistor. 基板上にバッファ層を介してチャネル層を形成するチャネル層形成工程と、
前記チャネル層より大きいバンドギャップを有する半導体からなるスペーサ層を前記チャネル層とヘテロ接合するよう形成するスペーサ層形成工程と、
前記スペーサ層に隣接するようにキャリア供給層を形成するキャリア層形成工程とを有し、
前記基板がInPからなり、
前記チャネル層が、化学式GaIn1-x1-yで表され、前記AがAs又はSbであり、前記組成xが0≦x≦0.2であり、かつ前記組成yが0.03≦y≦0.10である化合物半導層を有し、
前記InP基板の上にInAlAsからなる前記バッファ層を形成するバッファ層形成工程を有し、
前記チャネル層形成工程が、前記バッファ層の上にInNAsからなる第1のチャネル層を形成する第1のチャネル層形成工程と、前記第1のチャネル層の上にInAsからなる第2のチャネル層を形成する第2のチャネル層形成工程とを有し、
前記スペーサ層形成工程において、前記第2のチャネル層の上にInAlAsからなる前記スペーサ層を形成する、ヘテロ電界効果トランジスタの製造方法。
A channel layer forming step of forming a channel layer on a substrate via a buffer layer;
A spacer layer forming step of forming a spacer layer made of a semiconductor having a larger band gap than the channel layer so as to be heterojunction with the channel layer;
A carrier layer forming step of forming a carrier supply layer adjacent to the spacer layer,
The substrate is made of InP;
Said channel layer is represented by the chemical formula Ga x In 1-x N y A 1-y, wherein A is As or Sb, the composition x is 0 ≦ x ≦ 0.2, and the composition y is 0.03 is ≦ y ≦ 0.10 compound have a semiconductive layer,
A buffer layer forming step of forming the buffer layer made of InAlAs on the InP substrate;
The channel layer forming step includes a first channel layer forming step of forming a first channel layer made of InNAs on the buffer layer, and a second channel layer made of InAs on the first channel layer. A second channel layer forming step of forming
The method for manufacturing a hetero field effect transistor, wherein, in the spacer layer forming step, the spacer layer made of InAlAs is formed on the second channel layer .
請求項1記載のヘテロ電界効果トランジスタを送信信号又は受信信号の処理のために備えた送受信装置。   A transmission / reception apparatus comprising the hetero field effect transistor according to claim 1 for processing a transmission signal or a reception signal.
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