JPH01199475A - ヘテロ接合電界効果トランジスタ - Google Patents

ヘテロ接合電界効果トランジスタ

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JPH01199475A
JPH01199475A JP2458188A JP2458188A JPH01199475A JP H01199475 A JPH01199475 A JP H01199475A JP 2458188 A JP2458188 A JP 2458188A JP 2458188 A JP2458188 A JP 2458188A JP H01199475 A JPH01199475 A JP H01199475A
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JP
Japan
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layer
doped
effect transistor
impurity concentration
field effect
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JP2458188A
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Fumio Matsumoto
松本 史夫
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Sanyo Electric Co Ltd
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Sanyo Electric Co 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】 (イ) 産業上の利用分野 本発明はヘテロ接合界面の2次元電子ガスを利用したヘ
テロ接合電界効果トランジスタに関する。
(ロ)従来の技術 半導体結晶基板上に、基板結晶より禁止帯幅の大きい半
導体の結晶を積層したヘテロ接合電界効果トランジスタ
(以下、ヘテロ接合FETという)は、ある条件下でヘ
テロ接合界面に2次元電子ガスを形成することが知られ
ている。超高速半導体装置として最近注目を集めている
高電子移動トランジスタ(HEMT)も前記ヘテロ接合
界面の2次元電子ガスを利用した装置である(@えば、
JAPANtst JOLIINAL OF AppL
+ao Ri+ys+rs VOL、19 Nn5.M
A、、1980 pp、L225−L227’A Ne
w Field−Effect Transistor
 with 5electively Doped G
aAs/n−MxGa+ −xAs Heteroju
nctions」参照)。
第4図はAll GaAs−GaAs・\テロ接合を用
いた従来のHEMTの模式的断面構造図であり、同図に
より以下にその製造方法を説明する。
まず、半絶縁性GaAs基板〈21)上に分子線エピタ
キシ(MBE)技術または有機金属エピタキシ(OMV
PE)技術により、ノンドープGaAs層(22)を1
−の厚さまで成長きせ、該ノンドープGaAs層(22
)上にノンドープM!xG at −X As層(23
)を0〜60人の厚さまで成長させ、次に該ノンドープ
Ml xGa+ −x As層(23)上にSiドープ
M’ xGa+ −x As層(Si濃度:0.5〜2
、OX IQlllcm−’)(24)を300〜10
00人の厚さまで成長させ、さらに該SiドープM) 
xGa+ −x As層(24)上に51ド一プGaA
s層(Sifi度: 0.5〜2. OX 10” c
m −3)(25)を成長させる。ここで、XはM x
Ga+ −x As中のAI)Asの組成示す数値であ
り、略0.3である。
その後、このようにして形成されたヘテロエピタキンヤ
ル基板上にAu:Ge:Ni等からなるオーミック金属
を蒸着し、リフトオフ法によりソース電極形成部および
ドレイン電極形成部に該金属を残し、合金化を行ってオ
ーミック領域をSiドープGaAs層(25)、Siド
ープM xGa+ −x As層(24)、ノンドープ
Ai xG at −x As層(23)、およびノン
ドープGaAs層(22)内に貫通させてソース電極<
26>、ドレイン電極(27)を形成する。
前記ソース電極(26)とドレイン電極(27)間のS
iドープGaAs層(25)を除去し、リセス部(28
)を形成し、このリセス部(28)上にゲート電極(2
9)を形成する。このゲート電極はMまたはXl−Pt
−Au等をソース電極(26)とドレイン電極(27)
の間にリフトオフ法により選択的に被着することにより
形成される。
上述した如き製造方法により作成されたHEMTにおい
ては、ノンドープAI!xGa+−xAs層(23)と
ノンドープGaAs層(22)とのヘテロ接合界面の核
層(22)側に2次元電子ガスチャンネル(30)が形
成される。 SiドープM xGa+ −x As層〈
24)がゲート電極〈29)のショットキバリアΦm及
びノンドープGaAs層(22)とノンドープMxGa
+−xAs層(23)の電子親和力の差による伝導帯エ
ネルギー差ΔEcにより空乏化し、正にイオン化した不
純物はノンドープMχGar−xAs層(23)とノン
ドープGaAs層(22)とのヘテロ接合界面に負電荷
を持つ電子を誘起することにより、該2次元電子ガスチ
ャンネル(30)が形成される。
第5図は従来のHEMTのゲート電極(29) −Si
ドープAl2 xG at −x As層(24)−ノ
ンドープMl xGa+ −x As層(23)−ノン
ドープGaAs層(22)に亘る伝導帯エネルギ図であ
る0図中B1領域はSiドープAl) xGa+ −x
 As層(24)に、B、領域はノンドープM xGa
+ −x As層(23)に、B、領域は2次元電子ガ
スチャンネル(30)に、B4領域はノンドープGaA
s層(22)に夫々対応しており、禁止帯幅はB+及び
B、領域が略1.80eV%B、およびB、領域が1.
43eVである。また、B麿領域とB、領域との界面す
なわちM xGa+ −x As層(23)とGaAs
層(22ンとのヘテロ接合界面の伝導帯エネルギ差は略
0.32eVである。該ヘテロ接合界面ではM xG 
at −x As層(23)とGaAs層(22)とが
いずれもノンドープであり、しかもSiドープAl x
G at −x As層(24)のイオン化した不純物
と分離されるためイオン化不純物が極めて少なく、ソー
ス電極(26)とドレイン電極(27)との間に電圧を
印加すると電子はイオンによる散乱が少ないため高速で
動作する。なお、誘起される2次元電子ガスa度nsは
約5 X 10”cm−’である。
ゲート電極(29)の電界効果により二次元電子ガスチ
ャンネル(30)を通過する電子を制御することにより
、第4図に示す装置はHEMTとしてトランジスタ動作
を行なう。
なお、SiドープM’ xGat −x As層〈24
)表面は非常に活性で、表面酸化や不純物吸着等が生じ
不安定になり易く、良好なオーミック電極形成が困難な
ので、SiドープGaAs層(25)を設けている。
(ハ) 発明が解決しようとする課題 −ヒ述した如き従来のHEMTにおいて、ゲート・ソー
ス間寄生容量Cgs、ゲート・ソース間寄生抵抗Rs等
により高周波特性が劣化するという問題がある。
前記Cgsはゲート電極(29)下の空乏層厚さに逆比
例するためCgsα1/dである。但し、dはゲート電
極(29)下のSiドープM) xG at −x A
s層(24)、及びノンドープAQ xGar −x 
As層(23)の空乏層の厚さである。
Cgsを低減するには、dを厚くすればよいことがわか
る。
一方、前記Rsは2次元電子ガスチャンネル(30)の
電子濃度n、に逆比例し、このn、はSiドープAfx
Gal−xAs層(24)の不純物濃度N、(正確には
イオン不純物化濃度N2+)に比例するため1/Rs”
Nlである。
Rsを低減するには、N2を高くすればよいことがわか
る。
HE M Tの高周波特性はCgs、Rsに大きく依存
するため、Cgs、 Rs共に低減する必要がある。
しかしながら、Cgsを低減するため、dをJ’J く
すると、Siミド−1M xG at −x As層(
24)に中性領域が光生するので、該中性領域が発生し
ないようにNy’a低くする必要があり、Rsが高くな
る。即ち、空乏層幅Wと不純物濃度NdとはW−1/ん
なる関係があるため、Siミド−1M xGar −x
 Asl!1(24)の不純物濃度N8を低くして、d
を大きくした場合、Rsが高くなる。
そこで、Rsも低減するため、N、を高くしたまま、d
を厚くすると、SiドープM xGar −x As層
(24)が厚くなり、該SiドープAi’ xGar 
−x As層(24)中に中性領域ができ、電子チャン
ネルが発生する。SiドープA2xGa+−xAsJl
(24)中の電子移動度は小さく、HEMTの高速性の
妨げとなる。さらに、Nlを高くすると、ゲート電極(
29)のショットキ接合の耐圧が小きくなり、ゲートリ
ークが発生しゃすくHEMT動作が阻害される。
また、R54r1減化を妨げる他の要因として、S1ド
ープARXG at −x As層(24)の組成Xに
起因する問題がある8gを大きくすると、ドナーレベル
が深くなり(例えば、JAtANmst JOURNA
L OF Avpt+wt+ RIlts+cs VO
L、21 No8.AuaUsT、1982 pp、L
476−L478’ 5iand  Sn  Dopi
ng  in  Al!xGa+−xAs  Grow
n  by  MBEJ  参照、)、イオン化不純物
濃度が減少し、Rsの増加を招来する。
ソース電極(29)あるいはドレイン電極(27)下の
51ド一プGaAs層(25)とSiドープMxGa+
−xAs層(24)はヘテロ接合であり、△Ec〜0.
3eVのバリアが存在することになり、バリア抵抗のた
め、R5は増加し易い、ドナーレベルに関しては、Si
ドープAl!XGa+−xAs層(24)のノンドープ
Ml xGar −x As層(24)側のXを〜0.
22とすることにより解決を図り、また、バリア抵抗低
減に関しては、SiドープAl! xGar −x A
s層(24)のXを途中から徐々に減少させ、Siドー
プGaAs層(25)界面でXを〜0とすることでバリ
ア抵抗を消失させる方法が知られている。しかしながら
、低いX及び、グレーティラドS1ドープAt)xGa
r−xAs層(24)により、ある0度、Rsの増加を
抑えることができるが完全なものではない。
本発明はCgs及びRsの相方を低減したヘテロ接合電
界効果トランジスタを提供しようとするものである。
(ニ) 課題を解決するための手段 本発明は、半絶縁性結晶基板と、この半絶縁性結晶基板
上に設けられたノンドープ半導体チャンネル層と、この
ノンドープ半導体チャンネル層上に設けられた電子供給
層と、この電子供給層上に設けらえたコンタクト層と、
このコンタクト石上に設けられた入力電極及び出力電極
と、前記入力電極と前記出力電極の間に設けられた制御
電極と、を備えて成るヘテロ接合電界効果トランジスタ
において、前記電子供給層の不純物濃度は前記ノンドー
プ半導体チャンネル層側よりも前記コンタクト層側の方
が小さいことを特徴とするヘテロ接合電界効果トランジ
スタである。
(ホ) 作用 2次元電子ガスチャンネルの濃度n、はヘテロ接合界面
での電界強度をFi、、電子供給層の誘電率をε、とす
ると、n、讃Fi、ε1/qとなり、Fi、はヘテロ接
合界面近傍の不純物濃度N、に依存するため、濃度ng
を高めるにはヘテロ接合界面近傍の不純物濃度N、を高
めればよい、従って、電子供給層ノ2次元電子ガスチャ
ンネル側を高不純物濃度とし、オーミック電極側を低不
純物濃度とすることにより、nl(Ndを高くでき、し
かも、全体としての電子供給層の厚さを厚くできるので
、中性領域の発生はなく、しかも、高いN5(Nl)は
Rsの低減に寄与する。
また、コンタクト層の電子供給層側を低濃度にすること
で、ゲート耐圧の劣化を防止し、ゲートリークを減少す
ることができる。
(へ) 実施例 本発明を種々の実施例を用い、以下に説明する。
(実施例1) 第1図は本発明に係るヘテロ接合を用いたHEMTの模
式的断面構造図であり、同図により以下にその製造方法
を説明する。
まず、半絶縁性GaAs基板(半絶縁性結晶基板)(1
)上に分子線エピタキシ(MBE>技術によりノンドー
プGaAs層(ノンドープ半導体チャンネル層)(2)
を1−の厚さまで成長させ、さらに該ノンドープGaA
s層(2)上にノンドープM xG at −x As
層(3)を20人の厚さまで成長させる。このノンドー
プM xG at −x As層(3)とノンドープG
aAs層(2)とのヘテロ接合界面の鏡層(2)側に2
次元電子チャンネル(12)が形成される。
ノンドープM xGa+ −x As層(3)上にMB
E技術により、SiドープMl xGa+ −x As
層(4)を120人の厚きまで成長させる。ここで、S
i濃度は2 X IQ”cm−’である。また、XはM
xGat−xAs層の中のAt)Asの組成を示す数値
であり、0.22である。
次に、SiドープA1’xGa+−xAs層(4)上に
MBE技術により、SiドープAlxGa+−xAs層
(5)を300人の厚さまで成長させる。ここで、51
濃度は表面にいくに従い、2X10鳳@c111−’か
ら5 X IQ”an−”まで徐々に低下させ、Xを0
.22から0まで徐々に低下させている。このSiドー
プAI2 xGa+−nAs層(4)(5)で電子供給
層が形成される。
SiドープM) xG at −x As層(5〉上に
MBE技術により、SiドープGaAs層(6)を20
0人の厚さまで成長させる。ここで、Si濃度は最初一
定で、その後、表面にいくに従い、 5 X 1011
0l7”から2.5X 10 ”作りまで徐々に増加き
せている。続いて、51ド一プGaAs層(6)上にM
BE技術によりSiドープGaAs層(7)を300人
の厚さまで成長させる。ここでSi濃度は2,5X I
Q”cm−’一定である。このSiドープGaAs層(
6)(7)でコンタクト層が形成される。
その後、このようにして形成されたヘテロエピタキシャ
ル基板上にAu−Ge−N1等からなるオーミンク金属
を蒸着し、リフトオフ法によりソース電極形成部及びド
レイン電極形成部に該金属を残し、合金化処理を行なっ
てオーミック領域をSiドープGaAs層(6)(7”
)、SiドープN1xGaI−xAs層(4)(5)内
に貫通させてソース電極(8)、ドレイン電極(9)を
形成する。
前記ソース電極(8)とドレイン電極(9)間のSiド
ープGaAs層(6)(7)を除去し、リセス部(10
)を形成する。このリセス部(10)の深ξは、Siド
ープGaAs層(6)の低濃度部が露出するように決定
される。前記リセス部(lO)上にゲート電極(制御電
極)(11)を形成する。このゲート電極(11)はM
または1i−Pt−Au等をソース電極(8〉とドレイ
ン電極(9)の間にリフトオフ法により選択的に被着す
ることにより形成される。
第2図は、SiドープGaAs層(7)−5iド一プG
aAs層(6)−5iド一プM xG at −x A
s層(5)−stドープMxGa+ −x As層(4
)に亘るSi濃度及び、SiドープMlxGat−xA
s層(5)−5iド一プM xGal−x As層(4
)−ノンドープM xGat −x AsJI (3)
に亘る組成Xの分布図である1図中A、領域はSiドー
プGaAsJ!! (7)に、A、領域はSiドープG
aAs層(6)に、hsM域はSiドープMxGa+ 
−x As1l (5)に、A4領域はSiドープAI
xG at −x As層(4月二、A、領域はノンド
ープAi xGat −x Asjl (3)に対応し
ている。
第3図は作製したHEMTのゲート電極(11)−5i
ド一プGaAs層(7) −5iドープA1! xGa
t −x As層(5)−5iド一プMxGa+ −x
 As層(4)−ノンドープAI’xGa+−xAs層
(3)−ノンドープGaAs層(2)に亘る伝導帯エネ
ルギ図である。
図中、領域At””Asは前述と同様にSiドープGa
As層(7)〜ノンドープM xG at −x As
層(3)に対応し、また、領域A、はゲート電極(11
)に、領域A、は2次元電子ガスチャンネル(12)に
、領域A、はノンドープGaAs層〈2)に対応する。
上述の構造のHMETでは、Siミド−1xGat −
xAs層(4)のSi濃度が2 xlO”cm−’ト高
濃Jffiテアルので、nsを充分に高くでき、しかも
、siドープM’ xGat −x As層(5)の5
ifi度が2 X 10’ ”cm−’から5XIO”
cTI+−3に徐々に低められているので、電子供給層
全体の厚さを厚くできる。
また、SiドープGaAs層(6)とSiドープMxG
a+−xAs層(5)の界面でSiミド−1M xGa
t −x As層(5)のXはOなので、界面の不連続
性はない。
本実施例の)(EMTのCgsは〜0.6pF、 Rs
は〜2Ωであり、従来の構造(第4図)で、Siドープ
A11xGa+ −xAsJI5 (24)のXを0.
22、Sia度を2×10”ClTl−”とした場合の
Cgs 〜1. OpF、 Rs 〜2.4Ωに比べ、
大幅に低減している。
高周波特性では最小if指数NFm1nが従来の1.2
dBに対し、本実施例では0.8dBとなり、大きく改
善できた。
(実施例2) Siミド−1xGat −x As層(5)の5l濃度
を5X1017C’!11−”一定とし、厚さを350
人とした以外は実施例1と同じHEMTを作製した。こ
のHEMTのCgsは〜0.58pF%Rsは〜2.3
Ω、NFm1nは〜0.9dBであった。
(実施例3) SiドープGaAsJ!l (6)のSi濃度をI X
 10”cm−’とした以外は実施例1と同じHEMT
を作製した。
このHEMTのCgsは〜0.6pF、Rsは〜2Ω、
NFa+inは〜1.OdBであった。
上述の各実施例では各層の成長にはMBE法を用いたが
、急峻なヘテロ接合界面を形成できる方法、例えば有機
金属エピタキシ(OMVPE)技術等を用いることがで
きる。
また、本発明はInGaAs(aAi Asヘテロ接合
、InP−InGaAs接合等に適用できることは明ら
かであるし、2次元電子ガスのみならず2次元ホールガ
スを用いたヘテロ接合電界効果トランジスタに適用でき
ることも明らかである。
(ト) 発明の効果 本発明は以上の説明から明らかな如く、電子供給1の不
純物濃度をノンドープ半導体チャンネル層側よりもコン
タクト層側の方を小さくしているので、電子供給層の厚
さを十分厚く、しかも、n。
(N、)を高くすることができ、Cgs、 Rsの低減
に寄与するところ大である。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明に係るヘテロ接合FETの模式的断面
図、第2図は、本発明に係るヘテロ接合FETの伝導帯
エネルギ図、第3図は本発明に係る・“・テロ接合FE
TのM組成Xと不純物濃度NDの分布図、第4図は従来
のヘテロ接合FETの模式的断面図、第5図は従来のヘ
テロ接合FETの伝導帯エネルギ図である。 (1)・・・半絶縁性GaAs基板(半絶縁性結晶基板
)、(2)・・・ノンドープGaAs層(ノンドープ半
導体チャンネル層)、(3)・・・ノンドープM’ x
Gat −x As層、(4)(5)−5iドープAR
xGat −x As層(電子供給m>、(6)(7>
−5iド一プGaAs層(コンタクト層)、(8)・・
・ソース電極(入力電極)、(9)・・・ドレインを極
(出力電極)、(10)・・・リセス部、(11)・・
・ゲート’H極(制御電極)。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、半絶縁性結晶基板と、この半絶縁性結晶基板上に設
    けられたノンドープ半導体チャンネル層と、このノンド
    ープ半導体チャンネル層上に設けられた電子供給層と、
    この電子供給層上に設けらえたコンタクト層と、このコ
    ンタクト層上に設けられた入力電極及び出力電極と、前
    記入力電極と前記出力電極の間に設けられた制御電極と
    、を備えて成るヘテロ接合電界効果トランジスタにおい
    て、 前記電子供給層の不純物濃度は前記ノンドープ半導体チ
    ャンネル層側よりも前記コンタクト層側の方が小さいこ
    とを特徴とするヘテロ接合電界効果トランジスタ。 2、前記電子供給層の禁止帯幅は前記ノンドープ半導体
    チャンネル層側よりも前記コンタクト層側の方が小さい
    ことを特徴とする請求項1記載のヘテロ接合電界効果ト
    ランジスタ。 3、前記電子供給層は2層で形成され、前記ノンドープ
    半導体チャンネル層側の層の禁止帯幅及び不純物濃度は
    一定で、かつ前記コンタクト層側の層の禁止帯幅及び不
    純物濃度は前記コンタクト層に近づくに従い小さくなる
    ことを特徴とする請求項2記載のヘテロ接合電界効果ト
    ランジスタ。 4、前記コンタクト層は2層で形成され、前記電子供給
    層側の層の不純物濃度は前記入力電極及び出力電極に近
    づくに従い高くなり、前記入力電極及び出力電極側の層
    の不純物濃度は一定であることを特徴とする請求項1記
    載のヘテロ接合電界効果トランジスタ。 5、前記コンタクト層側の層の禁止帯幅及び不純物濃度
    が一定であることを特徴とする請求項3記載のヘテロ接
    合電界効果トランジスタ。 6、前記電子供給層側の層の不純物濃度が一定であるこ
    とを特徴とする請求項4の記載のヘテロ接合電界効果ト
    ランジスタ。 7、前記制御電極は前記コンタクト層内に形成されたリ
    セス部上に形成されていることを特徴とする請求項1記
    載のヘテロ接合電界効果トランジスタ。
JP2458188A 1988-02-03 1988-02-03 ヘテロ接合電界効果トランジスタ Pending JPH01199475A (ja)

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Cited By (1)

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