JPH0194675A

JPH0194675A - ヘテロ接合電界効果トランジスタ

Info

Publication number: JPH0194675A
Application number: JP25215687A
Authority: JP
Inventors: Fumio Matsumoto; 松本　史夫
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1987-10-06
Filing date: 1987-10-06
Publication date: 1989-04-13

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へテロ接合界面の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１．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）も前記へテロ接
合界面の２次元電子ガスを利用した装置である（例えば
、Ｊｏｕｒｎｓ＋Ｉ　ｏｆ　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｇｒｏｗ
ｔｈ　５６（１９８２）４５５−４６３゜Ｎｏｒｔｈ−
Ｈｏｌｌａｎｄ　Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ　Ｃｏｍｐａｎ
ｙ　＃照）。

第２図はＡｆｔ　ＧａＡｓ−ＧａＡｓヘテロ接合を用い
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（１１）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（ＱＭＶ
ＰＥ）技術により、ノンドープＧａＡｓ層〈１２）を１
ｙ１の厚きまで成長させ、さらに該ノンドープＧａＡｓ
層（１２）上にノンドープＡｆｌｘＧａ＋−ｘＡＳ層（
１３）を６０人の厚さまで成長させ、次に該ノンドープ
ＡｌｘＧ５．＋−ｘＡｓ層（１３）上にＳｉドープＡｆ
ｌｘＧ　ａ＋−ｘＡ　３層（Ｓｔ濃度：　Ｉ　Ｘ　１０
”ａｎ　−３）（１４）を１０００人の厚さまで成長さ
せる。ここで、ＸはＡｌｘＧ　ａｔ−ｘＡ　！ｉ中のＡ
ｆｆｉＡｓの組成を示す数値であり、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シャ
ル基板上にＡｕ−Ｇｅ−Ｎｉ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を極形成部および
ドレインを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Ａ　ｆｌ　ｘＧ　ａｔ−ｘＡ
　ｓ層（１４）、ノンドープＡ！ｘＧ　ａｔ−ｘＡ　ｓ
層（１３）、およびノンドープＧａＡｓ層（１２）内に
貫通させてソース電極（１５ｇ）、　　ドレイン電極（
１５ｂ）を形成する。

最後にＳｉドープＡ　ＲｘＧ　ａｔ−ｘＡ　ｓ層（１４
）にショットキバリアを形成する金属（八２）または金
ｆｆ１（Ｔｉ−Ｐｔ−Ａｕ等）をソース電極（１５ａ）
とドレイン電極（１５ｂ）との間にリフトオフ法により
選択的に被着させ、ゲート電極（１６）を形成する。

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Ａ　１　ｘＧ　ａｔ−ｘＡ　ｓ層（１
３）とノンドープＧａＡｓ層（１２）とのへテロ接合界
面の核層（１２）側に２次元電子ガスチャネル（エフ）
が形成される。ＳｉドープＡ　ｌ　ｘＧ　ａｔ−ｘＡ　
ｓＪＷ　（１４）がゲートを極（１６）のショットキバ
リアあるいは表面準位により空乏化し、正にイオン化し
た不純物はノンドープＡりｘＧ　ａｔ−ｘＡ　Ｊ！　（
１３）とノンドープＧａＡｓ層＜１２）とのへテロ接合
界面に負電荷を持つ電子を誘起することにより、該２次
元電子ガスチャネル（１７）が形成される。

第３図は従来のＨＥＭＴのゲート電極−３ｉドープＡｌ
ｘＧａ＋−ｘＡｓ層−ノンドープＡ　ＲｘＧａ＋−ｘＡ
ｓ層−ノンドープＧａＡｓ層に亘る伝導帯エネルギ図で
ある。ＩＸｌ中ＡＩ領域はＳｉドープＡｌｘＧ　ａｔ−
ｘＡ　ｓ層（１４）に、Ａ２領域はノンドープＡ１ｘＧ
　ａｔ−ｘ　Ａ　ｓＪ！＃　（１ｇ）に、Ａ３領域は２
次元電子ガスグ・ヤネル（１７）に、Ａ４領域はノンド
ープＧａＡｓ層（１２）に夫々対応しており、禁止帯幅
はＡ１およびＡ２領域が略１．８０ｅＶ、　Ａ　３およ
びＡ４領域が１．４３ｅｖである。また、Ａ２領域とＡ
３領域との界面すなわちＡ　（！　ｘＧ　ｓ層−ｘＡ　
ｓ層（１３）とＧ　ａＡ　ｓｏｌ　（１２）とのへテロ
接合界面の伝導帯エネルギ差は略０．３２ｅＶである。

該へテロ接合界面ではＡ　ｌ　ｘＧ　ａｔ−ｘＡ　ｓＪ
ｉ〈１３）とＧａＡｓ層（１２〉とがいずれもノンドー
プであり、しかもＳｉドープＡ　ｆｌ　ｘＧ　ａｔ−ｘ
Ａ　ｓ層（１４）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（１５ａ
）とドレイン電極（１５ｂ）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次元電子ガス濃度ｎｓは約５×１０
口側−２である。

ゲート電極（１６）の電界効果により２次元を子ガスチ
ャネル（１７）を通過する電子を制御することにより、
第２図に示す装置はＨＥＭＴとしてトランジスタ動作を
行なう。

（ハ）発明が解決しようとする問題点上述した如き従来のＨＥＭＴにおいて、ＳｉドープＡ　
ｌ　ｘＧａ＋−ｘＡｓ層〈１４）の不純物濃度ｎはｎ≧
ｌ　Ｘ　ＩＱ’　６ｃｍ−３という高濃度であり、また
ソース電極（１５ａ）およびドレイン電極（１５ｂ）の
オーミック領域がＳｉドープＡ　Ｉｔ　ｘＧ　ａｔ−ｘ
Ａ　ｓ層（１４）内にも形成されているため核層（１４
）内に寄生チャネルが発生し、第３図に示したＡ１領域
の伝導帯の底状領域Ｂを通してソース電極（１５ａ）と
ドレイン電極（１５ｂ）との間にリーク電流が流れると
いう問題があった。

また、ＳｉドープＡ　ＲｘＧ　ａｔ−ｘＡ　５ｏｌ（１
４）内に電子が存在すると不純物層濃度ｎが高いために
ゲート電極（１６）によって形成されるショットキバリ
アが薄くなり、電子はショットキバリアをトンネリング
し、ソースを極（２５ｇ＞とゲートを極（１６）との間
にリーク電流が流れ、ゲート電極（１６）に印加した電
圧がへテロ接合界面に有効にかがらなくなり、ビンデオ
フが不完全となり、トランジスタとしての機能上悪影響
を及ぼすという問題があった。

電流駆動能力を高めるために２次元電子ガス濃度ｎｓを
高くすると前記問題は顕著になる。２次元電子ガス濃度
ｎｓはＳｔドープＡ　ｅ　ｘＧ　ａｔ−ｘＡ　ｓ層（１
４）のイオン化不純物の数に比例するため該濃度ｎ３を
高くするためには、ＳｉドープＡ　ＲｘＧ　ａｔ−ｘＡ
ｓ層（１４）の不純物濃度ｎ、膜厚を大きくする必要が
ある。しかしながら、不純物濃度ｎを高くすると、ゲー
ト電極（１６）によって形成されるショットキバリアが
薄くなり、第３図の庇状領域Ｂの厚さの増加およびゲー
ト耐圧の低下を招く、また、ＳｉドープＡ　ＲｘＧ　ａ
Ｉ−ｘＡ　ｓ層（１４）の膜厚を増加すると、第３図の
庇状領域Ｂが厚くなり、電子のチャネルを形成する。Ａ
ＮＧａＡｓ中の電子速度はＧａＡｓ中のそれに比して低
速であり、高速動作を阻害する。

本発明は上述の問題点に鑑み為されたものであり、Ｓｉ
ドープＡ　ＲｘＧ　ａＩ−ｘＡ　ｆｌ中に寄生チャネル
の発生、ゲート耐圧の低下を招くことなく、２次元電子
ガス法度ｎｓを高め得る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）　　問題点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ネル層と、このノンドープ半導体チ
ャ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、前記電子供給層は高不純
物濃度の多結晶層または非晶質層で構成されていること
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）　作用多結晶あるいは非晶質より成る電子供給層は電気伝導が
ほとんどない高抵抗層であるので、該電子供給層の寄生
チャネルおよびグー１−リークが抑制され、２次元電子
ガスの高速性あるいはゲート耐圧の低下を招来すること
なく、２次元電子ガス法度庖増大でき、電流駆動能力を
高めることができる。

（へ）　実施例第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ネル層）（２）を
ＩＩＪＩｌｌの厚さまで成長させ、さらに該ノンドープ
ＧａＡｓ層（２）上にノンドープＡ　ｌ　ｘＧａＩ−ｘ
Ａｓ層（３）を６０人の厚さまで成長させる。このノン
ドープＡ　ｊ２　ｘＧ　ａｔ−ｘＡ　ｓＪｌ　（３）と
ノンドープＧａＡｓ層（２）とのへテロ接合界面の部層
（２）側に２次元電子チャネル（８）が形成きれる。

続いて、ノンドープＡ　ｌ　ｘＧ　ａＩ−ｘＡ　ｓ層（
３）上にプラズマＣｖＤ法によりＳ　ｉＮｘ膜（４〉を
１０人堆積し、フォトリソグラフィ法により、ソースお
よびドレイン電極形成部のＳｉＮｘ膜を選択的に除去す
る。残存するＳｉＮｘ膜（４）上および露出されたノン
ドープＡｌｘＧａ＋−ｘＡｓ層（３）上にＭＢＥ技術に
より、ＳｉドープＡ　ｌ　ｘＧ　ａＩ−ｘＡ　ｓ層（電
子供給層）（５ａ）（５ｂ）をＯ，１ｌｊ１１の厚さま
で成長させる。ここで、Ｓｉ濃度は２　Ｘ　ＩＱ”ｃｒ
ｎ−３であり、ＸはＡＲｘＧ　ａＩ−ｘＡ　ｓ層の中の
Ａｊ！Ａｓの組成を示す数値であり、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シャ
ル基板上にＡｕ・Ｇｃ−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
ドレインを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Ａ　ｌ　ｘＧ　ａＩ−
ｘＡ　ｓ層（５ｂ）内に貫通させてソース電極（６ａ）
、ドレイン領域（６ｂ）を形成する。

次に、ＳｉドープＡ　ｅ　ｘＧ　ａＩ−ｘＡ　ｓ層（５
ａ）上にショットキノ１リアを形成する金属＜Ａｌ＞ま
たは金１ｉ１（Ｔｉ−Ｐｔ−Ａｕ）等をソース電極（６
ａ）とソース電極（６ｂ）の間にリフトオフ法により選
択的に被着させ、ゲート電極（制御電極）（７）を形成
する。

ここで、ＭＢＥ技術により成長されたＳｉドープＡ　１
　ｘＧ　ａＩ−ｘＡ　ｓ層（５ａ）（５ｂ）について説
明する。

ＭＢＥでは通常ＳｉＮｘ膜上には多結晶または非晶質が
成長するため、ＳｉドープＡ　１２　ｘＧ　ａｔ−ｘＡ
　ｓ層（５ｂ）は単結晶となり、ＳｉドープＡ　ｆｌ　
ｘＧａＩ−ｘＡｓ層（５ｇ）は多結晶または非晶質とな
る。多結晶または非晶質のＳｉドープＡ　ｊ！　ｘＧ　
ａｔ−ｘＡ　ｓ層（５ａ）でもＳｉ不純物濃度は変わら
ないが、多結晶または非晶質粒界で電子は大きな散乱を
受けるため実際には電気伝導はほとんどなく高抵抗とな
る。Ｈ′ＥＭＴにおいては電気供給層（Ａ　ｌ　ｘＧ　
ａｔ−ｘＡ　５Ｒ（５ａ））にイオン化不純物が所定量
存在すればよい。また、本発明実施例ではノンドープＡ
ｌｘＧａｐ−ｘＡｓ層（３〉をスペーサ層として設けて
いるので、ヘテロ界面は該ｍ（ｓ　）とノンドープＧａ
Ａｓ〈２）で構成されているので電子の高速性は損われ
ない。

また、ソース電極（６ａ）およびドレイン電極〈６ｂ）
下は単結晶のＳｉドープＡ　ｊ！　ｘＧ　ａｔ−ｘＡ　
ｓ層（５ｂ）であり、ゲート電極（７）下が高抵抗のＳ
ｉドープＡ　１　ｘＧａ＋−ｘＡｓＪｉｌ（５ａ）であ
るのでトランジスタ動作には支障はない。

斯上の装置では２次元電子ガス源度ｎｓは約ＩＸＩＱ”
ｅｍ−”と従来の約２倍の値を有し、ＳｉドープＡ　Ｉ
！　ｘＧａ＋−ｘＡｓ層の不純物濃度を２　Ｘ　１０’
　”ｃｍ　−３と高めた効果がみられる。しかも、Ｓｉ
ドープＡ　ｆｌ　ｘＧａ＋−ｘＡｓ層の寄生チャネルに
よる特性の劣化やゲート耐圧の低下もない。

上述の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（ＱＭＶＰＥ）技術等を用いることができ
る。また、多結晶を成長するのに用いたＳｉＮｘ膜の代
わりに、池の非晶質膜、例えば５ｉＯｚ　、ＡＮ２０３
等を用いることができ、堆積法もヘテロ界面の急峻性が
保たれる低温堆積法例えば光ＣＶＤ法、スピンフート法
等を用いることができる。

さらに、入出力用電極であるソース電極、ドレイン電極
を直接ノンドープＧａＡｓ層上に形成することができる
し、スペーサ層として介在させたノンドープＡ　ｐ　ｘ
Ｇａ＋−ｘＡｓ層（３）を省くこともできる。

また、本発明はＩｎＧａＡｓ−ＩｎＡｊ！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
ガスを用いたベ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、電子供給層は高
不純物濃度の多結晶層または非晶質で構成きれているの
で、電子供給層の不純物濃度ｎを増大しても寄生チャネ
ルの発生やゲート耐圧の低下を招くことはない、従って
、前記不純物濃度ｎを増大して２次元電子ガスまたは２
次元ホールガス源度を特性を低下きせることなく高める
ことができ、該へテロ接合電界効果トランジスタの電流
駆動能力を著しく高めることができる。

【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図は従来のへテロ接合ＦＥＴの模式的断面図、第
３図は従来のヘテＯ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
導体チャネル層）、（３）・・・ノンドープＡ　１２　
ｘＧａ＋−ｘＡｓ層、＜４）”−８ｉＮｘ膜、（５ａ）
（５ｂ）”・Ｓ　ｉドープＡ　ｌ　ｘＧ　ａｔ−ｘＡ　
ｓ層（電子供給層）、＜６ａ＞・・−ソースＴｒＬ極、
（６ｂ）・・・ドレイン電極、（７）・・・ゲート電極
く制御電極）、（８）・・・２次元電子ガスチャネル。第１図　　　　　　　　　　第２図第３図手続補正書（自発）

Claims

【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ネル層と、このノンドー
プ半導体チャ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、前記電子供給層は高不純物濃度の多結晶層または非晶質
層で構成されていることを特徴とするヘテロ接合電界効
果トランジスタ。