JPH01117070A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPH01117070A
JPH01117070A JP27314387A JP27314387A JPH01117070A JP H01117070 A JPH01117070 A JP H01117070A JP 27314387 A JP27314387 A JP 27314387A JP 27314387 A JP27314387 A JP 27314387A JP H01117070 A JPH01117070 A JP H01117070A
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JP
Japan
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semiconductor layer
layer
gaas
gate
semiconductor
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JP27314387A
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English (en)
Inventor
Toshiyuki Usagawa
利幸 宇佐川
Masao Yamane
正雄 山根
Masayoshi Kobayashi
正義 小林
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、1/fノイズ低減に好適な、化合物半導体を
能動層として用いた電界効果型の半導体装置に関するも
のである。
〔従来の技術〕
砒化ガリウム(Ga、As)とアルミニウム・砒化ガリ
ウム(AQ、GaAs)とのへテロ接合界面に形成され
る2次元状塩体を、電界効果型トランジスタ(2DEG
−FET)、例えば宇佐用、三島:電子情報通信学会論
文誌、C,Vofl 、 J70−C。
No、 5 、 pp、 716〜723 (1987
)について検討し、低周波(IHz〜IMHz)でのノ
イズ指数を調べたところ、1)ショットキーゲート金属
のショットキー接合に起因する1/fノイズ、および2
)ARGaAs中のDXセンター(例えば文献M、O。
Watanabe他“Doner Level in 
5i−DopedAfl GaAs Grown by
 M B E”:ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・ア
プライド・フィジックス、23 (1984)、U2O
5) ニ起因する1/fノイズがみられた。従来、Ga
As M E S F E T (MetalSem1
conductor  Field  Effect 
 Transistor)は、ショットキー接合やG 
a A s結晶欠陥、または深い準位等に起因すると思
われる低周波での雑音発生のため、低周波低雑音電界効
果半導体装置に用いられることがなかった。
〔発明が解決しようとする問題点〕
従来の化合物半導体電界効果型トランジスタにおける低
周波(10〜100MHz)雑音の発生原因を調べたと
ころ、つぎに示す6つの原因が主なものであることが判
明した。すなわち雑音は、(1)n型AQx Ga1−
xAsAs中上Xセンター10mV程度の準位、(2)
ショッ、トキー接合ゲート電極と半導体界面との浅い準
位、(3)ソース(ドレイン)・ゲート間隙部分の表面
空乏層に起因する不準物の準位、(4)イオン注入工程
/アニール工程を経ることによる結晶欠陥、(5)結晶
中の転位(Dislocation)原子空孔等の点欠
陥、(6)GaAs結晶に固有なEL2等の深い準位、
に起因すると考えられる。
本発明は、これら低周波での雑音源を、デバイスプロセ
スや結晶成長の工夫によって取り除くことができる、デ
バイス構造を実現することにより、低周波(10〜10
0MHz)における雑音特性を改善した半導体装置を得
ることを目的とする。
〔問題点を解決するための手段〕
上記目的は、従来構造の主な雑音源をなくすことにより
達成される。すなわち、イオン注入工程およびそのアニ
ール工程を用いず、しかもEL2等の深い準位が存在し
ない結晶成長技術を用いてFETを形成する。さらに、
ゲート電極構造にはショットキー接合ゲートを用いず、
また、n型AQ、Ga、−xAs (x≧0.25)の
ようにDXセンターを含む半導体層を用いないことであ
る。上記のような低周波雑音源を取り除いたFET構造
を案出した。
〔作用〕
上記のようなデバイス構造上の工夫をすることによって
、それぞれの原因を取り除き低周波における雑音特性を
改善した。すなわち、n型AflXGa1−xAs中の
DXセンター数10m V程度の準位については、n型
ドーピング層におけるDXセンターがない領域を使用し
、ショットキー接合ゲート電極を避けてオーミック接触
するゲート電極を用い、ソース(ドレイン)・ゲート間
隙部分にはキャップ層を挿入するなどして、能動層の表
面をなるべく露出させない工夫をし、イオン注入工程/
アニール工程による結晶欠陥を防ぐために、上記工程を
使用しないでエピタキシ技術を用い、また、G a A
 s結晶に固有なEL2等の深い準位に対しては、分子
線エピタキシ法あるいはガスソースMBE法によること
によって、低周波(大略10〜100MHz)での雑音
を減らすことができた。その結果、従来のGaAs M
E S F E Tあるいは2DEG−FETにおいて
は、10”Hzの周波数で10100OnJr/f肩7
程度の雑音レベルであったものが、1 nJrms/ 
f肩7程度の雑音レベルにまで低減することができた。
〔実施例〕
つぎに本発明の実施例を図面とともに説明する。
第1図は本発明による半導体装置の第1実施例を示す図
で、(a)は断面図、(b)は上記実施例のゲート部分
におけるエネルギーバンド図、(c)は上記実施例に応
用する超格子バッファ層を示す図、第2図は本発明の第
2実施例を示す図で、(a)は断面図、(b)は上記実
施例のゲート部分におけるエネルギーバンド図、(c)
は上記実施例の応用例を示す断面図、(d)は上記応用
例のゲート部分におけるエネルギーバンド図、第3図は
本発明の第3実施例を示す断面図である。
第1図に示す第1実施例は、ヘテロ接合FETに本発明
を適用した場合を示し、第1図(a)において1分子線
エピタキシー法(MBE)により半絶縁性G a A 
s基板10上にアンドープG a A s 11を50
00人、SiをI XIO”an−”含有するn型G 
a A s12を250人、アンドープAfA X G
a1−XA8 (Xは通常0.1〜0.4の範囲で選ぶ
ことが多い)13を150人、BeをI X 10” 
am−3含有するp型GaAs層16を4000人を形
成した。その後、CCU 2 F a / He混合ガ
スを用いた反応性イオンエツチング(RIE)等を用い
てゲート領域の加工を行い、ゲート段差部分の側壁にS
in、層23を1000人程度被着させた。
ゲート電極メタル22としてはAu/Mo/AuZn/
Auを用いてリフトオフプロセスにより形成した。
p”GaAs16として、最上部分だけを6X1019
am3程度のBeを含有したp”GaAs層、あるいは
同程度のドーピングレベルを有するP ” +I n 
x G a 1− yAs層を挿入して、Mo/Auあ
るいはW、WSi等のゲートメタルを用いて形成しても
よい。
つぎに、有機金属熱分解法(MOCVD)を用いて、ソ
ース、ドレイン領域に対しn”GaAs17を選択成長
し、AuGe/Ni/Auソース、ドレイン電極20.
21を形成した。デバイス形成プロセスでは通常n”G
aAs17を選択成長したのち、ソース、ドレイン金属
20.21およびゲート金属22を形成することが多い
。n”GaAs17はn ” I nx G al−x
Asあるいはn”Geを用いてもよい。ゲート電極22
下のエネルギーバンド図を第1図(b)に示す。
アンドープA Q xGBニー、As13を用いること
で、通常のpn接合ゲートFET (J−FET)で問
題になるpn接合界面での雑音発生を抑え、ゲート形成
にG a A s / A D G a A s選択的
エツチング技術を用いることができるので、微細なゲー
ト長を実現できる。また、バッファ層11を形成する前
に、第1図(c)に示すようにアンドープGaAs1l
’、アンドープAQ 、 Ga1−、As1l’を20
人ずつ周期的に40層形成した超格子バッファ層を用い
ることにより、基板10中に存在する転位等の結晶欠陥
がエピタキシー層11.12.13.16に伝達される
のを防ぐことも可能である。
上記のように低周波雑音源をなくすことで、従来のGa
As FET (MESFETあるいは2−DEG−F
ET)では103Hzの周波数で、100 n J r
ms/ f肩7程度の雑音レベルが、1 n Jrms
/v’NTT程度の雑音レベルに低減できた。
第2図に示す第2実施例では、第2図(a)に示すよう
に、MOCVDを用いて半絶縁性G a A s基板1
0上にp−GaAs1lを1μm、Ssを5X1017
0−3含むn型GaAs12を500人、アンドープA
QXGa□、−,As (通常では0.1〜0.4の範
囲で選ぶ)13を200人、Seを5X10”am−’
分布するn”GaAs14を2000人を形成したのち
、エツチング工程を経てソース20、ドレイン21、ゲ
ート電極22としてAuGe/Ni/Auをリフトオフ
形成した。上記ゲート電極22下の対応するエネルギー
バンド図を第2図(b)に示す。このようにFET能動
層であるn型G a A s層12とゲート領域14.
22との間に、アンドープ層13を挿入することによっ
て、空乏層内に生じる不純物原子に由来する空間電荷に
基づく雑音を防ぐことができる。アンドープAQxGa
□−XAs層13は通常100人〜2000人の範囲で
用いている。
FET論理振幅を高くするために、ゲート構造として第
2図(c)に示すように、アンドープAQ X Ga、
−xAsAs層上3上iを2 X 10” an−’程
度含むn”GaAs15を200人、さらにBeを5X
101gG−3含むp”GaAs16を2000人形成
し、ゲート電極金属22′ としてMo/Auあるいは
Au/Mo/AuZn/Auを用いることができる。対
応するエネルギーバンド図を第2図(d)に示す。応用
口的によっては、アンドープAn X Ga、−yAs
層3およびn”GaAs15の各層を除き、MBE法で
形成したpn接合ゲゲート−F E Tでも、十分な雑
音レベルが得られることもある。
2次元電子ガスをFETの能動層に用いた第3実施例を
第3図に示す。MBE法により半絶縁性G a A s
基板10上に、アンドープGaAs1lを1μm、さら
にアンドープAQ x Ga1−xAs13 (xは通
常0.2〜0.4の範囲で選ぶ)を60人〜120人の
間に形成する。すなわち、アンドープGaAs1lとア
ンドープAn XGa1−xAs13との間に形成され
る2次元電子ガス(2DEG)の電子移動度μは、上記
スペーサ層13の膜厚に非常に敏感で、高い移動度(8
000a&/ vs以上:室温)を実現するには、通常
、上記スペーサ層13が60Å以上必要である。
さらに、DXセンターがないAQ組成比Z(通常0.2
3以下)を選んで、n型Afi 2Ga1−zAs13
’を200人、Siを2X10”an−”含有した状態
でMBEを形成し、さらに、アンドープAQ 、 Ga
1−xA s 13 ’を100人形成、Beを5 X
 10” atr−”含有するp”GaAs16を25
00人形成した。その後エツチングを行い、ソース、ド
レイン電極20.21をAuGe/Ni/Auを用いて
形成し、ゲートメタル22′ にはMo/Auあるいは
Au/Mo/AuZn/Auを用いて形成した。第1実
施例と同様に、ソース、ドレイン領域はn”GaAs層
を選択的にMOCVDを用いて形成し、ソース、ゲート
抵抗Rsgを低減することが可能である。
上記各実施例ではG a A sを材料にした例を説明
したが、他の化合物半導体InGaAs、InP等を用
いた場合にも容易に拡張することができる。また、上記
各実施例ではGaAs基板を用いたが、Si基板を用い
てGaAs on Siの系としてデバイス形成を行っ
てもよい。
〔発明の効果〕
上記のように本発明による半導体装置は、半導体層■上
に、該半導体層■よりも電子親和力が小さく不純物濃度
が低い半導体層IIを形成し、上記半導体層IIのゲー
ト領域以外を除去して残った上記半導体層■上に、p型
半導体層IIIを形成してゲート電極とし、上記半導体
層Iを能動層とするソース、ドレイン電極を上記半導体
層I上に設けたことにより、大略lO〜100MHzの
低周波における雑音源が、はとんど取り除かれている構
成を有するため、従来のGaAs MESFET、2−
DEG−FETに較べ、約171000の雑音特性を実
現することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明による半導体装置の第1実施例を示す図
で、(a)は断面図、(b)は上記実施例のゲート部分
におけるエネルギーバンド図、(e)は上記実施例に応
用する超格子バッファ層を示す図、第2図は本発明の第
2実施例を示す図で、(a)は断面図、(b)は上記実
施例のゲート部分におけるエネルギーバンド図、(c)
は上記実施例の応用例を示す断面図、(d)は上記応用
例のゲート部分におけるエネルギーバンド図、第3図は
本発明の第3図実施例を示す断面図である。 12・・・半導体層I    13・・・半導体層■1
6・・・p型半導体層  17・・・n+層半導体20
・・・ソース電極   21・・・ドレイン電極22、
22’・・・ゲート電極(p形半導体層■)代理人弁理
士  中 村 純之助 Φ 一ノ           ’−’     (%J0
−ニー      −へ

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、半導体層I上に、該半導体層Iよりも電子親和力が
    小さく不純物濃度が低い半導体層IIを形成し、上記半導
    体層IIのゲート領域以外を除去して残った上記半導体層
    II上に、p型半導体層IIIを形成してゲート電極とし、
    上記半導体層Iを能動層とするソース、ドレイン電極を
    上記半導体層I上に設けた半導体装置。 2、上記能動層は、半導体層Iのゲート領域以外のソー
    ス、ドレイン領域に、n^+層半導体を形成して寄生抵
    抗を低減したことを特徴とする特許請求の範囲第1項に
    記載した半導体装置。 3、上記能動層は、2次元電子ガスで形成されているこ
    とを特徴とする特許請求の範囲第1項に記載した半導体
    装置。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR970013526A (ko) * 1995-08-23 1997-03-29 원본미기재 유지 바브를 가지는 전기용 웨지 커넥터
JPH09172165A (ja) * 1995-12-20 1997-06-30 Nec Corp 電界効果トランジスタおよびその製造方法
US6186799B1 (en) 1999-10-21 2001-02-13 Fci Usa, Inc. Compression grounding connector for rail and structural steel
WO2004010488A1 (ja) * 2002-07-19 2004-01-29 Sony Corporation 半導体装置

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