JPH01158779A - Semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device

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Publication number
JPH01158779A
JPH01158779A JP31801387A JP31801387A JPH01158779A JP H01158779 A JPH01158779 A JP H01158779A JP 31801387 A JP31801387 A JP 31801387A JP 31801387 A JP31801387 A JP 31801387A JP H01158779 A JPH01158779 A JP H01158779A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
gate
crystal
electrode
hemt
Prior art date
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Pending
Application number
JP31801387A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kazukiyo Tsunenobu
和清 常信
Satoru Asai
了 浅井
Mitsuji Nunokawa
満次 布川
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Fujitsu Ltd filed Critical Fujitsu Ltd
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Publication of JPH01158779A publication Critical patent/JPH01158779A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

PURPOSE:To avoid the variations of a threshold voltage and the decline of increasing tendency of a transmission conductance by a method wherein the length of a gate is determined to be not longer than 0.5mum and the azimuth of the gate is selected so as to make a drain current flow to the [011] direction of a substrate crystal. CONSTITUTION:The crystal axis azimuth of a substrate 1 composed of a III-V compound semiconductor crystal is [011]. First, an i-type GaAs layer 2 with a thickness about 1mum is built up on the substrate 1 by crystal growth. Then, after an n-type AlGaAs layer 3 is built up on the layer 2 by crystal growth, the layer 3 is doped with an n-type dopant to form a hetero-junction structure. A source electrode 4 and a drain electrode 5 are deposited on the left and right ends of the layer 3 respectively. An insulating layer 6 is built up so as to cover the electrode 4, electrode 5 and layer 3, and a part of the insulating layer 6 is patterned with a gate length L to form a window 7. Then a Ti/Pt/Au layer is built up above the window and both the sides of the Ti/Pt/Au layer are scraped to form a gate electrode 10 with a length not larger than 0.5mum. With this constitution, the degradation of a threshold voltage and a transmission conductance due to the stress near the gate electrode can be suppressed.

Description

【発明の詳細な説明】 〔目 次〕 概要 産業上の利用分野     (第7図)従来の技術  
      (第4図)発明が解決しようとする問題点 問題点を解決するための手段 作用 実施例 本発明の一実施例    (第1〜3図、第5.6図) 発明の効果 〔概要〕 半導体装置に関し、 0.5μm以下のゲート長であっても闇値電圧Vthの
変化および伝達コンダクタンスgmの増加傾向の減少を
避けることのできる半導体装置を提供することを目的と
し、 m−v族化合物半導体結晶よりなる基板上に、該化合物
半導体を用いてヘテロ接合を形成し、該ヘテロ接合界面
に形成される2次元電子ガス層をチャネル領域に使用し
、チャネル領域に対向するようにゲート電極を設け、チ
ャネル領域の端部にソース・ドレイン領域が形成されて
いる電界効果トランジスタ素子を備え、該電界効果トラ
ンジスタ素子は、そのゲート長が0.5μm以下であっ
て、かつゲート方位をドレイン電流が前記基板結晶の(
011)方向に流れるように構成する。
[Detailed Description of the Invention] [Table of Contents] Overview Industrial Application Fields (Figure 7) Prior Art
(Figure 4) Problems to be solved by the invention Examples of means and effects for solving the problems One embodiment of the present invention (Figures 1 to 3, Figures 5.6) Effects of the invention [Summary] Semiconductor Regarding the device, the present invention aims to provide a semiconductor device that can avoid changes in the dark voltage Vth and decrease in the increasing tendency of the transfer conductance gm even with a gate length of 0.5 μm or less, and is an m-v group compound semiconductor. A heterojunction is formed using the compound semiconductor on a substrate made of crystal, a two-dimensional electron gas layer formed at the interface of the heterojunction is used as a channel region, and a gate electrode is provided to face the channel region. , a field effect transistor element in which a source/drain region is formed at the end of a channel region, the field effect transistor element has a gate length of 0.5 μm or less, and the gate direction is such that the drain current is of the substrate crystal (
011) so that it flows in the direction.

〔産業上の利用分野〕[Industrial application field]

本発明は、半導体装置に係り、詳しくは、化合物半導体
を用い、ゲート長が0.5μm以下の微細なFETを含
む半導体装置に関する。
The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device that uses a compound semiconductor and includes a minute FET with a gate length of 0.5 μm or less.

半導体を構成できる物質は周期律表の第■族のB(ボロ
ン)、A7!、Ga  (ガリウム)、In(インジウ
ム)等や■族のSi(シリコン)、Ge (ゲルマニウ
ム)、Se (セレン)等や■族のP (燐)、As(
ヒ素)、sb(アンチモン)等があり、現在は■族生の
Si(シリコン)系半導体が主に用いられている。近時
、Sii導体によるV−LS I技術開発と並んで、高
速動作型コンピータに適する物質として■族と■族の元
素からなる、いわゆるm−v族化合物半導体が注目され
、特に発光材料および受光材料としてSi系に対して数
多くの特徴を有している。その最大の特徴は、要求する
性質の化合物半導体が■族と■族の成分比を変化するこ
とによって自由に製作できる点である。その他にSi系
半導体と比較して、温度範囲が広い、雑音が少ない、放
射能に強い、発光受光する、超高速スイッチングの特性
がよい、といった大きな魅力を持った素子を作ることが
できる。
Substances that can form semiconductors are B (boron), A7!, which is in group II of the periodic table. , Ga (gallium), In (indium), etc., Si (silicon), Ge (germanium), Se (selenium), etc. of the ■ group, P (phosphorus), As (
Arsenic (arsenic), sb (antimony), etc., and currently Si (silicon)-based semiconductors from group II are mainly used. In recent years, along with the development of V-LSI technology using Sii conductors, so-called m-v group compound semiconductors consisting of elements of groups 1 and 2 have attracted attention as materials suitable for high-speed computers, and are particularly useful as light-emitting materials and light-receiving materials. As a material, it has many characteristics compared to Si-based materials. Its greatest feature is that compound semiconductors with desired properties can be freely produced by changing the ratio of the group (1) and group (2) components. In addition, compared to Si-based semiconductors, it is possible to create devices with great appeal, such as a wider temperature range, less noise, resistance to radiation, ability to emit and receive light, and good ultra-high-speed switching characteristics.

これらの■−V族化合物半導体の1つにガリウムひ素(
GaAs)があり、ガリウムひ素では、Ga原子とAs
原子がちょうどテトラポットの中心と4つの隅の位置に
交互に配列し、これが三次元的に規則正しく並んでいる
。これは、閃亜鉛鉱型の結晶構造と呼ぶ。はとんどのm
−v族化合物がこの形に結晶化し、それぞれの原子間隔
、言葉を代えていえば格子定数が少しずつ異なっている
One of these ■-V group compound semiconductors is gallium arsenide (
In gallium arsenide, Ga atoms and As
Atoms are arranged alternately at the center and four corners of the tetrapod, and are arranged regularly in three dimensions. This is called a zincblende crystal structure. hatondono m
-V group compounds are crystallized in this form, and the atomic spacing, or in other words, the lattice constant, is slightly different.

この他に、A 12 G a A s系、(Ga、In
)  (P。
In addition, A 12 G a As system, (Ga, In
) (P.

As)系等の数多くのII[−V族化合物が存在する。There are a number of II[-V compounds such as the As) series.

これらの化合物半導体が、最近特に注目されるようにな
ったのは、光通信・情報処理技術や、超高速LSIなど
の最先端技術の材料となるからである。
These compound semiconductors have recently attracted particular attention because they are used as materials for cutting-edge technologies such as optical communication/information processing technology and ultra-high-speed LSI.

このような単結晶半導体は、結晶格子の方位によって異
なる性質を示す。また、LSI製造工程には、単結晶イ
ンゴットの結晶成長、酸化、拡散、エツチングなどの化
学的工程があるが、これらの工程の条件は結晶の面方位
に依存する場合が多く、この面方位依存性を積極的に活
用した微細加工技術が用いられている。結晶内の平面や
方位を表すには、ミラー指数(Millor)が用いら
れる。
Such single crystal semiconductors exhibit different properties depending on the orientation of the crystal lattice. In addition, the LSI manufacturing process involves chemical processes such as crystal growth, oxidation, diffusion, and etching of single crystal ingots, but the conditions for these processes often depend on the plane orientation of the crystal; Microfabrication technology that actively utilizes the characteristics is used. Miller indices are used to represent planes and orientations within a crystal.

ミラー指数は次のように規定される。The Miller index is defined as follows.

(イ)ある任意の格子点を原点として、基本ベクトルi
、下、王を座標軸とし、ある平面と各座標軸との交点を
それぞれの基本ベクトルの大きさを単位として測る。
(b) With a certain arbitrary grid point as the origin, the fundamental vector i
, Lower, King is used as a coordinate axis, and the intersection of a certain plane and each coordinate axis is measured using the size of each fundamental vector as a unit.

(ロ)得られた三つの交点の値の逆数をとり、比が等し
くなるような最小の整数のMih、に、βを見出し、そ
の平面を(hkA)と表す。平面が基本ヘクトルa、b
、cと平行な場合は、交点は■であるから逆数はOとす
る。基本ベクトルの負の側で平面が交わる場合は、(π
kA)のように負の記号を数字の上に書く。例えば、あ
る平面が基本ベクトルa、b、cによって決る座標軸と
それぞれ2a、3b、4cで交わっている時、逆数をと
ると1/2.1/3.1/4であり、この平面のミラー
指数は(643)である。
(b) Take the reciprocal of the values of the three intersection points obtained, find β in the smallest integer Mih such that the ratios are equal, and express the plane as (hkA). The plane is the basic hector a, b
, c, the intersection is ■, so the reciprocal is O. If the planes intersect on the negative side of the fundamental vector, then (π
Write a negative sign above the number, such as kA). For example, when a certain plane intersects the coordinate axes determined by fundamental vectors a, b, and c at 2a, 3b, and 4c, respectively, the reciprocals are 1/2.1/3.1/4, which is the mirror of this plane. The index is (643).

第7図に半導体結晶を考えるうえで重要な立方格子中の
一例を示す。図中の数字はミラー指数であり、基本ベク
トルa=b=c、、h=に=j2=1なる立方格子の各
側面を示している。図かられかるように、X軸上の基本
長aの点を起点として、y、z軸と平行な側面が(10
0)で表わされ、y軸方向の側面が(010) 、z軸
方向が(001)で表わされる。この3つの側面、(1
00) 、(010) 、(001)は各々互いに直交
している。また、平面(011)は図中点線で示すよう
にy軸およびZ軸と45°の角度を有し、X軸と平行な
平面を表わしている。なお、平面(Oll)はz軸が負
、すなわち図中の2軸と反対の方向に存在する平面であ
る。
FIG. 7 shows an example of a cubic lattice, which is important when considering semiconductor crystals. The numbers in the figure are Miller indices and indicate each side of the cubic lattice where the fundamental vectors a=b=c, h==j2=1. As can be seen from the figure, starting from the point of basic length a on the X axis, the side parallel to the y and z axes is (10
The side surface in the y-axis direction is represented by (010), and the side surface in the z-axis direction is represented by (001). These three aspects (1
00), (010), and (001) are orthogonal to each other. Further, the plane (011) has an angle of 45° with the y-axis and the Z-axis, as shown by the dotted line in the figure, and represents a plane parallel to the X-axis. Note that the plane (Oll) is a plane in which the z-axis is negative, that is, the plane exists in the opposite direction to the two axes in the figure.

結晶の方位を表すには、その方向を各基本ヘクトルの合
成で表し、その成分比の組を用いる。例えば方位r=h
a+kb+Acは、(hk6)と〔〕を用いて書き、こ
れと等価な方向の組を表すには(h、に、n)とく 〉
を用いて表す。立方格子で番よ、方位[hkβ]は面(
h、に−β)に垂直である。
To express the orientation of a crystal, the direction is expressed as a composition of each basic hector, and a set of component ratios is used. For example, direction r=h
a+kb+Ac is written using (hk6) and [], and to represent a set of directions equivalent to this, write (h, ni, n).
Expressed using In the cubic lattice, the orientation [hkβ] is the plane (
h, is perpendicular to -β).

〔従来の技術〕[Conventional technology]

Iff−V族化合物半導体のFETにおいても、Si系
FETと同様に、例えばソース−ゲート間、ソース−ド
レイン間の抵抗を減少させるなどその特性の向上を図る
ために、ソース領域およびドレイン領域にチャネル領域
よりも高濃度の不純物を導入することが望ましく、半導
体が基板上に形成されたゲート電極をマスクの一部とし
て高濃度に不純物をイオン注入し熱処理を施して、注入
された不純物を活性化することによって高不純物濃度領
域を形成して、ここにソース、ドレイン電極が配設され
る構造が知られている。例えばこのような例として、H
E M T (High Electron Mobi
lityTransistor :以下、HEMTとい
う)があり、このHEMTでは半絶縁性GaAs基板の
上にアンドープのGaAs層を、さらにSiをドープし
たn−AρxGa、−XAs層を分子線エピタキシャル
成長法: M B E (Molecular Bea
m Epitaxy)法により、厚さ0.07μmに成
長させ、さらにこの上に同じSlをドープしたn’−G
aAs層を成長させている。このようなHEMTのゲー
ト電極にはショソトキゲ−1−として(チタニウム−白
金−金)TiPtAuを、ソース、ドレイン電極にはA
uGeAuが用いられており、ゲート電圧によりゲート
電極直下の空乏層の厚さを変化させ、ソース−ドレイン
電流を制御する。なお、電流−電圧特性は基本的にはG
aAs  MES  FET(MEtal−5emic
onductor Junction FET)と同し
である。また、このようなHEMTにおいては、そのゲ
ート長(半導体と接するゲート電極の長さ)が少なくと
も0.5μmを超える大きさであり、高周波動作をさせ
るトランジスタとしては0.5μm以下のものが動作特
性上望ましいにもかかわらず今だ実現していなかった。
Similarly to Si-based FETs, If-V group compound semiconductor FETs also have channels in the source and drain regions in order to improve their characteristics, such as reducing the resistance between the source and gate and between the source and drain. It is desirable to introduce impurities at a higher concentration than the semiconductor region, and the gate electrode formed on the semiconductor substrate is used as a part of the mask to implant impurity ions at a high concentration and heat treatment to activate the implanted impurities. A structure is known in which a high impurity concentration region is formed by doing this, and source and drain electrodes are disposed in this region. For example, as an example, H
E M T (High Electron Mobi
In this HEMT, an undoped GaAs layer and an Si-doped n-AρxGa, -XAs layer are grown on a semi-insulating GaAs substrate using molecular beam epitaxial growth (MBE). Bea
n'-G was grown to a thickness of 0.07 μm by the m epitaxy method, and on top of this was grown an n'-G film doped with the same Sl.
An aAs layer is grown. The gate electrode of such a HEMT is made of (titanium-platinum-gold) TiPtAu, and the source and drain electrodes are made of A.
uGeAu is used, and the thickness of the depletion layer directly under the gate electrode is changed by the gate voltage to control the source-drain current. Note that the current-voltage characteristics are basically G
aAs MES FET (MEtal-5emic
onductor junction FET). In addition, in such HEMTs, the gate length (the length of the gate electrode in contact with the semiconductor) is at least greater than 0.5 μm, and the operating characteristics of a transistor operating at a high frequency are 0.5 μm or less. Although this is highly desirable, it has not yet been realized.

一方、先に本出願人が特開昭51−79577号公報に
おいて開示した半導集積回路装置も知られている。この
装置では、■−■族化合物半導体よりなる基板上に設け
られたゲート電極に位置を整合させて、チャネル領域に
高濃度の不純物を注入し、基板端部にソースおよびドレ
イン電極を形成した電界効果トランジスタ(FET)を
複数個備え、複数個のFETはゲート幅方向が前記基板
結晶の(OO1)方向に平行である素子と、ゲート幅方
向が前記基板結晶の[010)方向に平行である素子と
を含んでいる。
On the other hand, a semiconductor integrated circuit device previously disclosed by the present applicant in Japanese Unexamined Patent Publication No. 51-79577 is also known. In this device, a gate electrode provided on a substrate made of a ■-■ group compound semiconductor is aligned, a high concentration impurity is implanted into the channel region, and an electric field is applied to form source and drain electrodes at the edges of the substrate. A plurality of effect transistors (FETs) are provided, each of which has a gate width direction parallel to the (OO1) direction of the substrate crystal and a gate width direction parallel to the [010) direction of the substrate crystal. It contains an element.

なお、このようにゲートの方向を基板結晶に対して限定
しているのは、半導体装置の高速化を図るためにゲート
長を2μm以下に短縮した場合に、ゲートの方向と基板
結晶との間にある種の相関関係が認められるためである
The reason why the gate direction is limited with respect to the substrate crystal in this way is that when the gate length is shortened to 2 μm or less in order to increase the speed of semiconductor devices, the distance between the gate direction and the substrate crystal will be reduced. This is because some kind of correlation is recognized between the two.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problem that the invention seeks to solve]

しかしながら、このような従来の半導体装置にあっては
、ゲート長の微細化に伴い次のような問題点が明らかに
なった。第1は闇値電圧vthの変化、第2は伝達コン
ダクタンスgmの減少という問題である。
However, in such conventional semiconductor devices, the following problems have become apparent as the gate length becomes finer. The first problem is a change in the dark value voltage vth, and the second problem is a decrease in the transfer conductance gm.

第5図および第6図はHEMTの結晶方向とゲート長に
対する特性の変化を示す図である。従来のHEMT (
、結晶軸方位(011))は0.5μm以下のゲート長
になると第5図に示すようにピンチオフ電圧Vp  (
闇値電圧vthとほぼ同一)が(−)側へ大きく移行し
、一方、伝達コンダクタンスgmは0.5μm以下のゲ
ート長では増加傾向が頭打ちとなり、同様に劣化してい
る。
FIGS. 5 and 6 are diagrams showing changes in characteristics with respect to the crystal direction and gate length of the HEMT. Conventional HEMT (
, crystal axis orientation (011)), when the gate length is less than 0.5 μm, the pinch-off voltage Vp (
(almost the same as the dark value voltage vth) largely shifts to the (-) side, while the increasing tendency of the transfer conductance gm reaches a plateau at gate lengths of 0.5 μm or less and similarly deteriorates.

なお、このときの測定条件は、Vn−2V、In = 
IQm A 、、Wc = 200 p mである。
Note that the measurement conditions at this time are Vn-2V, In =
IQm A , , Wc = 200 p m.

そこで本発明は、0.5μm以下のゲート長であっても
閾値電圧vthの変化および伝達コンダクタンスgmの
増加傾向の減少を避けることのできる半導体装置を提供
することを目的としている。
SUMMARY OF THE INVENTION Therefore, an object of the present invention is to provide a semiconductor device that can avoid changes in threshold voltage vth and decrease in the increasing tendency of transfer conductance gm even when the gate length is 0.5 μm or less.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

本発明による半導体装置は上記目的達成のため、m−v
族化合物半導体結晶よりなる基板上に、該化合物半導体
を用いてヘテロ接合を形成し、該ヘテロ接合界面に形成
される2次元電子ガス層をチャネル領域に使用し、チャ
ネル領域に対向するようにゲート電極を設け、チャネル
領域の端部にソース・ドレイン領域が形成されている電
界効果トランジスタ素子を備え、該電界効果トランジス
タ素子は、そのゲート長が0.5μm以下であって、か
つゲート方位をドレイン電流が前記基板結晶の(011
)方向に流れるように取っている。
In order to achieve the above object, the semiconductor device according to the present invention has m-v
A heterojunction is formed using the compound semiconductor on a substrate made of group compound semiconductor crystal, a two-dimensional electron gas layer formed at the interface of the heterojunction is used as a channel region, and a gate is formed opposite to the channel region. A field effect transistor element is provided with an electrode, and a source/drain region is formed at the end of a channel region, the field effect transistor element has a gate length of 0.5 μm or less, and has a gate orientation of 0.5 μm or less. A current flows through the substrate crystal (011
) so that it flows in the direction.

〔作 用〕[For production]

本発明では、m−v族化合物半導体結晶よりなる基板上
に、該化合物半導体を用いてヘテロ接合が形成され、該
ヘテロ接合界面に形成される2次元電子ガス層をチャネ
ル領域に使用し、チャネル領域に対向するようにゲート
電極が設けられるとともに、チャネル領域の端部にソー
ス・ドレイン領域が設けられてFETが形成され、該F
ETは、そのゲート長が0.5μm以下であって、かつ
ゲート方位をドレイン電流が前記基板結晶の〔011〕
方向に流れるように取っである。
In the present invention, a heterojunction is formed using a compound semiconductor on a substrate made of an m-v group compound semiconductor crystal, and a two-dimensional electron gas layer formed at the heterojunction interface is used as a channel region. A gate electrode is provided to face the channel region, and a source/drain region is provided at the end of the channel region to form an FET.
The ET has a gate length of 0.5 μm or less, and a drain current with a gate orientation of [011] of the substrate crystal.
Take it so that it flows in the direction.

したがって、ゲート電極近傍のストレスを要因とする闇
値電圧Vth(ピンチオフ電圧Vp)および伝達コンダ
クタンスgmの低下が抑制され、従来のHEMTと比較
して大幅な低雑化、高周波特性の向上が達成される。
Therefore, a decrease in dark voltage Vth (pinch-off voltage Vp) and transfer conductance gm caused by stress near the gate electrode is suppressed, and compared to conventional HEMTs, significant noise reduction and improvement in high frequency characteristics are achieved. Ru.

〔実施例〕〔Example〕

以下、本発明を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, the present invention will be explained based on the drawings.

第1.2図は本発明に係る半導体装置、特にHEMTの
一実施例を示す図である。
FIG. 1.2 is a diagram showing an embodiment of a semiconductor device, particularly a HEMT, according to the present invention.

第1図はHEMTの断面図を示しており、この図におい
て、1は半絶縁性のGaAsからなる基板である。基板
1の成分であるGaAsからなる化合物半導体の単結晶
は、結晶成長装置内で軸方向円筒形状の大きな塊の単結
晶インゴットに成長し、その後単結晶インゴットを単結
晶の軸方向と直角方向の断面で薄く切断して、薄い円板
状のウェハーに形成される。なお、単結晶インゴットの
生成は結晶成長装置内で種になる単結晶を上方向に引き
上げて行われ、この引き上げ方向は半導体結晶の特定の
結晶軸方位に合わせて行われ、特定の結晶軸方位が単結
晶インゴットの軸方向になる。
FIG. 1 shows a cross-sectional view of the HEMT, and in this figure, reference numeral 1 denotes a substrate made of semi-insulating GaAs. A compound semiconductor single crystal made of GaAs, which is a component of the substrate 1, is grown in a crystal growth apparatus into a large single crystal ingot having an axially cylindrical shape, and then the single crystal ingot is grown in a direction perpendicular to the axis of the single crystal. It is cut into thin cross-sections to form thin disc-shaped wafers. The single crystal ingot is produced by pulling the single crystal, which serves as a seed, upward in a crystal growth device, and this pulling direction is done in accordance with a specific crystal axis orientation of the semiconductor crystal, is the axial direction of the single crystal ingot.

このウェハーは基板1となり、その表面(結晶軸方向)
に各半導体層が積層され、HEMTが形成される。第2
図は単結晶30のインゴット内の結晶方向に対するHE
MTの結晶軸方位を示しており、図中二指の数字は各々
単結晶30を立方格子と考えたときのミラー指数を示し
ている。
This wafer becomes substrate 1, and its surface (crystal axis direction)
Each semiconductor layer is laminated to form a HEMT. Second
The figure shows HE with respect to the crystal direction within the ingot of single crystal 30.
The crystal axis orientation of MT is shown, and the second number in the figure each shows the Miller index when the single crystal 30 is considered as a cubic lattice.

第2図において、本実施例のHEMTは方位(011)
であるので、(011)−HEMTと表記している。(
011)−HEMTの3つの長方形は各素子(ドレイン
、ゲート、ソース)の配置3 置状態を示している。一方、従来のHE M Tは方位
(011)(本実施例のHEMTと直交する方向)であ
るので、(011)−HEMTと表記している。したが
って、本実施例のHEMTと従来のHEMTはその結晶
軸方位が90°異なっている。
In FIG. 2, the HEMT of this example is in the direction (011).
Therefore, it is written as (011)-HEMT. (
011)-The three rectangles of HEMT indicate the arrangement of each element (drain, gate, source). On the other hand, since the conventional HEMT has an orientation (011) (a direction perpendicular to the HEMT of this embodiment), it is written as (011)-HEMT. Therefore, the HEMT of this embodiment and the conventional HEMT differ in crystal axis orientation by 90°.

再び第1図に戻り、HE M Tを形成するには、まず
基板1上に製造可能な最高純度のGaAsからなる1−
GaAs層2を厚さ1μm程度結晶成長させる。なお、
1−GaAs層2の結晶成長は、M B E (Mol
ecular Beam Epitaxい法あるいはM
O−CV D (Metal Organic Che
mical Vapor Diposition)法に
より行う。
Returning to FIG. 1 again, in order to form the HEMT, first a layer of GaAs of the highest purity that can be produced is placed on the substrate 1.
The GaAs layer 2 is crystal-grown to a thickness of about 1 μm. In addition,
The crystal growth of the 1-GaAs layer 2 is performed using M B E (Mol
ecular Beam Epitax method or M
O-CV D (Metal Organic Che
It is carried out by the vapor deposition method.

次いで、1−GaAs層2の上面にn−Aj2GaAs
層3を同様にして厚さ35μmまで結晶成長させる。そ
の後、n−AlGaAS層3にSi等のn型ドーパント
をキャリア濃度2 X1018cm−’にドーピングす
る。1−GaAs層2およびn−A7!GaAS層3は
いわゆるヘテロ接合構造を構成する。そして、n −A
 7!Ga A 3層3の図中左端にソース電極4をA
uGe/Au(金−ゲルマニラム/金)という組成で蒸
着法により付着し、n−AlGaAs層3の図中右端に
ドレイン電極5を蒸着する。
Next, n-Aj2GaAs is deposited on the top surface of the 1-GaAs layer 2.
Layer 3 is similarly grown to a thickness of 35 μm. Thereafter, the n-AlGaAS layer 3 is doped with an n-type dopant such as Si to a carrier concentration of 2.times.10.sup.18 cm.sup.-'. 1-GaAs layer 2 and n-A7! The GaAS layer 3 constitutes a so-called heterojunction structure. And n −A
7! A source electrode 4 is placed at the left end of the Ga A 3 layer 3 in the figure.
A composition of uGe/Au (gold-germanillam/gold) is deposited by vapor deposition, and a drain electrode 5 is vapor-deposited on the right end of the n-AlGaAs layer 3 in the figure.

また、これらのソース電極4、ドレイン電極5およびn
−A7iGaAs層3を覆うように3402あるいはS
i3N4からなる絶縁層6を300μmの厚さまでCV
D法により積層し、次いで、EB(エレクトロンビーム
)露光により絶t−層6(D −部(図中中央部)に窓
(ゲート)7を0.5μm以下のゲート長(図中“L”
)でバターニングする。
In addition, these source electrode 4, drain electrode 5 and n
-3402 or S to cover the A7iGaAs layer 3
The insulating layer 6 made of i3N4 is CV-treated to a thickness of 300 μm.
The layers are laminated by the D method, and then a window (gate) 7 is formed in the constant T-layer 6 (D- part (center part in the figure) with a gate length of 0.5 μm or less ("L" in the figure) by EB (electron beam) exposure.
) to butter.

このバターニングは絶縁層6を、例えばドライエツチン
グで削るなどして行う。
This patterning is performed by etching the insulating layer 6, for example, by dry etching.

次いで、絶縁層6の窓7の上部にTi(チタニウム)/
Pt(白金)/Au(金)を各々100/100/ 5
00μm程度の厚さで順次蒸着により積層してAr(ア
ルゴン)のミリングにより両側を削って2μmの長さの
ゲート電極10を形成する。このようにして、ゲート長
しが0.5μm以下となるHEMTが形成される。
Next, Ti (titanium)/
Pt (platinum)/Au (gold) 100/100/5 respectively
The gate electrode 10 having a length of 2 .mu.m is formed by sequentially stacking the layers by vapor deposition to a thickness of about 0.00 .mu.m and cutting both sides by Ar (argon) milling. In this way, a HEMT with a gate length of 0.5 μm or less is formed.

次に、以上の構造のHEMTについてその作用を述べつ
つ、従来との効果を比較する。
Next, we will describe the effects of the HEMT with the above structure and compare its effects with the conventional HEMT.

HE M Tはヘテロ接合面(i−GaAs層2とn−
AlGaAs層3の境界面)15に形成される2次元電
子ガス層20をチャネル層に使用する電界効果型トラン
ジスタ(FET)である。
HEMT is a heterojunction surface (i-GaAs layer 2 and n-
This is a field effect transistor (FET) that uses a two-dimensional electron gas layer 20 formed on the interface (15) of the AlGaAs layer 3 as a channel layer.

第3.4図は、本実施例のHEMTと従来のHEMTの
作用を示す図であり、特に、第1図に示すHEMTの構
造を用いて基板1の結晶構造の方位を(OI11方向と
[011)方向とした図を示している。これらの図にお
いて、作用説明を容易にするためHEMTを第1図中の
1−Ga A s層2、n−A#GaAs層3および各
電極4.5.10のみで表わしている。第3図において
、ソース電極4、ドレイン電極5は各々直流電源の−、
十に接続されており、ソース電極4付近の高濃度のドナ
不純物(Sl)から放出された電子の一部は、ヘテロ接
合面15を越えてエネルギ的に低い1−GaAS層2に
移り、1−GaAs層2と平行の2次元電子ガス層20
(図中斜線で示す)を形成する。
FIG. 3.4 is a diagram showing the effects of the HEMT of this embodiment and the conventional HEMT. In particular, using the structure of the HEMT shown in FIG. 011) direction. In these figures, the HEMT is represented only by the 1-GaAs layer 2, the n-A#GaAs layer 3, and each electrode 4, 5, and 10 in FIG. 1 to facilitate the explanation of the operation. In FIG. 3, a source electrode 4 and a drain electrode 5 are connected to -, respectively, of a DC power source.
Some of the electrons emitted from the highly concentrated donor impurity (Sl) near the source electrode 4 move across the heterojunction surface 15 to the 1-GaAS layer 2, which has lower energy, and - two-dimensional electron gas layer 20 parallel to GaAs layer 2;
(shown with diagonal lines in the figure).

すなわち、n−A flG a A s層3は高純度の
i−GaAs層2へのキャリアの供給源となっている。
That is, the n-A flGaAs layer 3 serves as a carrier supply source to the high-purity i-GaAs layer 2.

また、ソース電極4およびドレイン電極5の直下の2次
元電子ガス層20はソースおよびドレイン領域を形成す
る。2次元電子ガス層20に移った高濃度の電子は、イ
オン化したドナと隔たっており、不純物による散乱を受
けることなく、高速で移動できるようになる。
Furthermore, the two-dimensional electron gas layer 20 directly under the source electrode 4 and drain electrode 5 forms source and drain regions. The highly concentrated electrons transferred to the two-dimensional electron gas layer 20 are separated from the ionized donors and can move at high speed without being scattered by impurities.

本実施例におけるH E M Tは0.5μm以下のゲ
ート長でありながら、従来のものに比して優れた効果を
有しているが、その原理は未だ必ずしも明確化できるも
のではないが、以下のように考えられる。すなわち、n
−AnGaAs層3の周囲の絶縁層6中のSiがソース
電極4.5ドレイン電極5、ゲート電極10の電位差に
よりピエゾ効果を生じて伸長し、n−AlGaAs層3
を両側から圧迫する、又はゲート電極10からのn−A
/!GaAs層3へのストレス等により圧迫されたゲー
ト電極10直下にピエゾ効果により電荷が発生する(以
下、ピエゾ電荷という)。図中、ピエゾ電荷は+、−の
記号で表わされ、ゲート電極IOの直下で+、ヘテロ接
合面上部で−の電荷が発生する。
Although the HEM T in this example has a gate length of 0.5 μm or less, it has a superior effect compared to the conventional one, but the principle thereof is not necessarily clear yet. It can be considered as follows. That is, n
- Si in the insulating layer 6 around the AnGaAs layer 3 is elongated due to the piezoelectric effect due to the potential difference between the source electrode 4, drain electrode 5, and gate electrode 10, and the n-AlGaAs layer 3
from both sides, or n-A from the gate electrode 10.
/! Electric charges are generated by the piezo effect directly under the gate electrode 10 compressed by stress on the GaAs layer 3 (hereinafter referred to as piezo charges). In the figure, piezoelectric charges are represented by + and - symbols, and a + charge is generated directly below the gate electrode IO, and a - charge is generated above the heterojunction surface.

ゲート電極10に印加する電圧に依存するピエゾ電荷は
2次元電子ガス層20において十の電荷となっており、
2次元電子ガス層20内の電子の濃度を変化させ、電流
の制御を行う。すなわち、ゲート電極10に印加される
電圧によって、HEMTの電流特性を制御できる。この
とき、本実施例ではゲート電極10直下の2次元電子ガ
ス層20に正電荷が誘起されるので、2次元電子ガス層
20はヘテロ接合面15と平行で電子の移動が受ける影
響は少ない。
The piezoelectric charge that depends on the voltage applied to the gate electrode 10 is ten charges in the two-dimensional electron gas layer 20,
The concentration of electrons in the two-dimensional electron gas layer 20 is changed to control the current. That is, the current characteristics of the HEMT can be controlled by the voltage applied to the gate electrode 10. At this time, in this embodiment, since positive charges are induced in the two-dimensional electron gas layer 20 directly under the gate electrode 10, the two-dimensional electron gas layer 20 is parallel to the heterojunction surface 15, and the movement of electrons is not affected much.

一方、第4図の従来のHEMTでは、同様の働きで、ゲ
ート電極10直下の2次元電子ガス層21に−の電荷が
誘起され、2次元電子ガス層20と同様の2次元電子ガ
ス層21は負の電荷を有する電子の反発によって凹状の
経路(図中矢印)をたどり、蛇行することとなる。この
蛇行は2次元電子ガス層21のピエゾ電荷による電界が
大きくなる短ゲート長素子(第1図のゲート長I5が0
.5μm以下の素子をいう)において顕著であり、ゲー
ト長しが短いものほどヘテロ接合面15から大きく離れ
て蛇行する。このため、従来のHEMTはゲート長の短
い素子はどピエゾ電荷の悪影響を大きく受けることとな
る。
On the other hand, in the conventional HEMT shown in FIG. 4, a negative charge is induced in the two-dimensional electron gas layer 21 directly under the gate electrode 10 by a similar function, and the two-dimensional electron gas layer 21 similar to the two-dimensional electron gas layer 20 follows a concave path (arrow in the figure) due to the repulsion of negatively charged electrons, resulting in a meandering path. This meandering occurs when the electric field due to the piezoelectric charge of the two-dimensional electron gas layer 21 increases (gate length I5 in FIG. 1 is 0)
.. (referring to devices with a diameter of 5 μm or less), and the shorter the gate length, the farther away from the heterojunction surface 15 the meandering distance becomes. For this reason, in conventional HEMTs, elements with short gate lengths are significantly affected by the piezoelectric charge.

第5.6図はHEMTの結晶方向とゲート長に対する特
性の変化を示す図であり、第5図はピンチオフ電圧Vp
の変化を示す図、第6図は伝達コンダクタンスgmの変
化を示す図である。第5図において、本実施例のHEM
T結晶軸方位〔011〕はゲート長LO95μm以下で
もピンチオフ電圧Vpは変化しない。一方、従来のHE
MT (結晶軸方位〔01了〕)はゲート長L 0.5
μm以下でのピンチオフ電圧Vpの低下が著しくなって
いる。第6図において、本実施例のHEMTはゲート長
し0.5μm以下でも伝達コンタリタンスgm(バイポ
ーラトランジスタのhFEに相当する)は順調に増加し
ており、ゲート長りを短くしても、特に高周波領域での
特性を向上させることができる。
Fig. 5.6 is a diagram showing the change in characteristics with respect to the crystal direction and gate length of HEMT, and Fig. 5 shows the pinch-off voltage Vp.
FIG. 6 is a diagram showing changes in transfer conductance gm. In FIG. 5, the HEM of this example
For the T crystal axis orientation [011], the pinch-off voltage Vp does not change even if the gate length LO is 95 μm or less. On the other hand, conventional HE
MT (crystal axis direction [01 completed]) is gate length L 0.5
The pinch-off voltage Vp decreases significantly below μm. In FIG. 6, in the HEMT of this example, the transfer contamination gm (corresponding to hFE of a bipolar transistor) increases steadily even when the gate length is 0.5 μm or less, and even if the gate length is shortened, the transfer contamination gm (corresponding to hFE of a bipolar transistor) increases steadily, especially at high frequencies. It is possible to improve the characteristics in this area.

一方、従来のHEMTではゲート長L  0.75μm
以下で、伝達コンダクタンスgmの伸びが鈍つてほぼ横
ばい状態となっている。
On the other hand, in the conventional HEMT, the gate length L is 0.75 μm
Below, the growth of the transfer conductance gm slows down and remains almost flat.

ゲート電極10の圧迫によりn−ApGaAs層3に発
生したピエゾ電荷により生しる上記現象は、結晶軸方位
(ゲート電極方位)に依存することが明らかである。こ
の現象の結晶軸方位依存性は、ゲート長L0.5μm以
下の短ゲート長素子で顕著なものであり、従来のHEM
Tと結晶軸方位が90°異なる本実施例ではピンチオフ
電圧Vp、伝達コンダクタンスgmの劣化を有効に防止
できる。
It is clear that the above phenomenon caused by piezoelectric charges generated in the n-ApGaAs layer 3 due to the compression of the gate electrode 10 depends on the crystal axis orientation (gate electrode orientation). The dependence of this phenomenon on crystal axis orientation is remarkable in short gate length devices with a gate length L of 0.5 μm or less, and in conventional HEMs.
In this embodiment in which the crystal axis orientation differs from T by 90°, deterioration of the pinch-off voltage Vp and the transfer conductance gm can be effectively prevented.

なお、このような短ゲート長素子は従来ピンチオフ電圧
Vpおよび伝達コンダクタンスgmの著しい劣化のため
実用化が阻まれていたのであるが、本発明者が鋭意研究
の結果、短ゲート長素子の結晶軸方位−1の依存性を発
見したことにより実用化が可能となった。
The practical application of such short gate length devices has conventionally been hindered due to significant deterioration of pinch-off voltage Vp and transfer conductance gm, but as a result of intensive research, the present inventors have discovered that the crystal axis of short gate length devices The discovery of the -1 direction dependence made it possible to put it into practical use.

すなわち、本発明では単結晶インゴットを制作する際に
結晶軸の方位を従来のHE M Tと90°異なる(0
11)方向としているので、ピンチオフ電圧Vpおよび
伝達コンダクタンスgmの劣化を有効に抑制することが
でき、従来のHE M Tと比較して大幅な低雑音化、
高周波特性の改善を図ることができる。特に、ゲート長
りを0.5μm以下とすると、高周波領域での伝達特性
が極めて向上し、併せてHEMT本来の高速スイッチン
グ特性が得られる。
That is, in the present invention, when producing a single crystal ingot, the orientation of the crystal axis is different from the conventional HEMT by 90 degrees (0
11) direction, it is possible to effectively suppress the deterioration of the pinch-off voltage Vp and the transfer conductance gm, resulting in significant noise reduction compared to the conventional HEMT.
It is possible to improve high frequency characteristics. In particular, when the gate length is set to 0.5 μm or less, the transfer characteristics in the high frequency region are significantly improved, and at the same time, the high-speed switching characteristics inherent to HEMT can be obtained.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

本発明によれば、m−v族化合物半導体からなる基板結
晶のゲート方位を従来と90゛異なる〔011〕方向と
しているので、ゲート電極近傍のストレスを要因とする
閾値電圧vth(ピンチオフ電圧Vp)および伝達コン
ダクタンスgmの低下を有効に抑制することができ、従
来のHEMTと比較して大幅な低雑音化、高周波特性の
向上を図ることができる。
According to the present invention, since the gate orientation of the substrate crystal made of an m-v group compound semiconductor is set to the [011] direction, which is 90° different from the conventional one, the threshold voltage vth (pinch-off voltage Vp) caused by stress near the gate electrode It is also possible to effectively suppress a decrease in transfer conductance gm, and it is possible to significantly reduce noise and improve high frequency characteristics compared to conventional HEMTs.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1〜6図は、本発明に係る半導体装置の一実施例を示
す図であり、 第1図はそのHEMTの断面図、 第2図はそのHEMTの結晶軸方位を示す図、第3図は
そのHEMTの作用を示す図、第4図はそのHEMTの
効果を説明するために従来のHEMTの作用を示す図、 第5図はそのピンチオフ電圧Vpの変化を示す図・ 第6図はその伝達コンダクタンスgmの変化を示す図、 第7図は立方格子のミラ一定数に相当する側面を示す図
である。 1・・・・・・基板、 4・・・・・・ソース電極・ 5・・・・・・ドレイン電極、 10・・・・・・ゲート電極、 15・・・・・・ヘテロ接合面、 20・・・・・・2次元電子ガス層(チャネル領域、ソ
ース領域、ドレイン領域)、 L・・・・・・ゲート長。
1 to 6 are diagrams showing one embodiment of a semiconductor device according to the present invention. FIG. 1 is a cross-sectional view of the HEMT, FIG. 2 is a diagram showing the crystal axis orientation of the HEMT, and FIG. is a diagram showing the action of the HEMT, Figure 4 is a diagram showing the action of the conventional HEMT to explain the effect of the HEMT, Figure 5 is a diagram showing the change in the pinch-off voltage Vp, and Figure 6 is the diagram. FIG. 7 is a diagram showing changes in transfer conductance gm. FIG. 7 is a diagram showing a side surface corresponding to the Mira constant of a cubic lattice. 1...Substrate, 4...Source electrode, 5...Drain electrode, 10...Gate electrode, 15...Heterojunction surface, 20... Two-dimensional electron gas layer (channel region, source region, drain region), L... Gate length.

Claims (1)

【特許請求の範囲】  III−V族化合物半導体結晶よりなる基板上に、該
化合物半導体を用いてヘテロ接合を形成し、該ヘテロ接
合界面に形成される2次元電子ガス層をチャネル領域に
使用し、 チャネル領域に対向するようにゲート電極を設け、 チャネル領域の端部にソース・ドレイン領域が形成され
ている電界効果トランジスタ素子を備え、該電界効果ト
ランジスタ素子は、そのゲート長が0.5μm以下であ
って、かつゲート方位をドレイン電流が前記基板結晶の
〔011〕方向に流れるように取ってあることを特徴と
する半導体装置。
[Claims] A heterojunction is formed on a substrate made of III-V compound semiconductor crystal using the compound semiconductor, and a two-dimensional electron gas layer formed at the interface of the heterojunction is used as a channel region. , a field effect transistor element in which a gate electrode is provided to face a channel region, and a source/drain region is formed at an end of the channel region, and the field effect transistor element has a gate length of 0.5 μm or less. A semiconductor device characterized in that the gate orientation is set so that a drain current flows in the [011] direction of the substrate crystal.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH05182991A (en) * 1991-11-07 1993-07-23 Mitsubishi Electric Corp Heterojunction fet and its manufacture
JP2011238805A (en) * 2010-05-11 2011-11-24 Nec Corp Field effect transistor, method of manufacturing field effect transistor and electronic device
JP2013258368A (en) * 2012-06-14 2013-12-26 Toshiba Corp Semiconductor device

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05182991A (en) * 1991-11-07 1993-07-23 Mitsubishi Electric Corp Heterojunction fet and its manufacture
JP2011238805A (en) * 2010-05-11 2011-11-24 Nec Corp Field effect transistor, method of manufacturing field effect transistor and electronic device
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