JPH02239635A - 半導体素子 - Google Patents

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） 本発明は電界効果トランジスタ（以下、ＦＥ’Ｉ’とい
う）に用いられる半導体素子、特に化合物半導体を利用
ｊ一た高電子移動度トランジスタの構造に関するもので
ある。

（従来の技術） 従来、このような分野の技術としては、Ｈ　Ｅ　Ｍ］’
　（ｔｌｉｇｈ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　｝Ｉｏｂｉｌｉｔ
ｙ　丁ｒａｎｓｉｓｔｏｒ　：高電子移動度トランジス
タ）横造が、高性能ＦＥ’Ｔ’を形成するための構造と
して知られている。この構造は、ＦＢ’ｒの活性層とし
て２次元電子ガスを用いるものであり、ｎ”　Ａ．Ｑ　
ＧａＡｓ／ＧａＡｓ或はｎ”　ＩｎＡＮ　Ａｓ／Ｉ　ｎ
ＧａＡｓの界面に形成される２次元電子ガス領域が活性
層として利用されている。

コノ種の技術としては、（　Ａ　）　Ｊ．　Ｖａｃ．　
Ｓｃ　ｉ　．　Ｔｅｃｈ００１．、　Ｂ３［２］　　（
１９８５）　　（米）Ｐ．５８５−５８７、及び（　Ｂ
　）　ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ　ＬＥＴｒＥＲＳ、旦［
６］　（１９８７−３−１２＞（米）Ｐ．２９７−２９
８に記載されるものがあった。以下、その構成を図を用
いて説明する。

第２図は前記文献（Ｂ）に記載された従来の半導体素子
の層椙造を示す断面図である。

この半導体素子はＦＥＴ川のものであり、半絶縁性のＩ
ｎＰ基板１上にバ・・ノファ層２を有している。バッフ
ァ屑２はアンドーフ゜ＩｎＡＩ　Ａｓ層から成り、その
膜厚は２０００人程度である。バッファ層２上には、ア
ンドープＩｎＧａＡｓ層から成るチャネル層３が形成さ
れている。チャネル層３の膜厚は１０００人程度である
。

チャネル層３上には、膜厚５０人程度のアンドープＩ　
ｎＡＪ！　Ａｓ層から成るスペーサ層４が形成され、さ
らにその上には膜厚５００人程度のキャリア供給層５が
形成されている。キャリア供給層らはｎ”ＩｎＡＮＡｓ
層から成り、そのドーピング密度は２Ｘ１０１８ａｍ−
３程度である。

このように横成された半導体素子において、キャリア供
給層５から供給された電子は、スベーサ層４を介してチ
ャネル層３に達し、チャネル層３のキャリア供給層５側
界面に２次元電子ガス領域６が形成される。この２次元
電子ガス領域６を活性層として利用することにより、例
えば室温で１１７００ｃｍ’／Ｖｓ程度の高電子移動度
を有するＦＥＴが得られる。

以上のＨＥＭＴ構造の他に、前記文献（Ａ＞に記載され
ている如く、アンドープＧａＡｓＡｉｉｆをチャネル層
とし、ｎ”　Ａ．ｌｌ　ＧａＡｓ層をキャリア供給層と
したＨＥＭＴｉｆｔ４遣もある。この横遣においては、
ｎ　　Ａ．ｌｌ　ＧａＡｓ／アンドープＧａＡｓ層界面
近傍のアンドープＧａＡｓ層側に２次元電子ガス領域が
形成され、これをＦＥＴの活性層として利用するもので
ある。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記構成の半導体素子においては、チャ
ネル層３のキャリア供給層５側界面に形成される２次元
電子ガスの電子輸送特性、例えば電子の移動度、ピーク
速度及び飽和温度等は、チャネル層３を構成する材料の
特性に依存し、その特性から脱却したより高性能なＦＥ
Ｔを得ることが困難であった。

即ち、前記ピーク速度及び飽和速度はＩ　ｎＧａＡｓ或
はＧａＡｓの特性によって決定され、それ以上大きくす
ることができないため、相互コンダクタンス等における
ＦＥＴの特性の向上を図ることが困難であった。　　　
゛ また、電子のイオン化率もチャネル層３を構成するＩｎ
ＧａＡｓ或はＧａＡｓの特性に依存し、それ以下の小さ
な値とすることが難しい。そのため、ＦＥＴのドレイン
耐圧の向上を図ることが困難であった。

本発明は、前記従来技術がもっていた課題として、電子
のピーク速度と飽和速度を大きくすることが困難な点、
及びイオン化率を小さくしてドレイン耐圧の向上を図る
ことが困難な点について解決した半導体素子を提供する
ものである。

（課題を解決するための手段） 本発明は前記課題を解決するために、半絶縁性基板の上
に形成されたチャネル層と、前記チャネル層の上に形成
されそのチャネル層側に電子を供給するキャリア供給層
と、前記電子の供給によって前記チャネル層の前記キャ
リア供給層側界面に形成される２次元電子ガス領域とを
備えた半導体素子において、ＩｎＰ基板からなる半絶縁
性基板の上に形成されたアンドープＩｎＰ層からなるチ
ャネル層と、ｎ　　Ｉ　ｎＡ．ｌｌ　Ａｓ層で形成され
たキャリア供給層と、前記チャネル層と前記キャリア供
給層との間に膜厚が１０〜２００人の範囲内で形成され
たアンドープＩ　ｎＧａＡｓ層とを、備えたものである
。

（作用》 本発明によれば、以上のように半導体素子を構成したの
で、ｎ　　ＩｎＡ．ｌｌＡｓ層から成るキャリア供給層
は、チャネル層側に電子を供給し、アンドープＩｎＰ層
から成るチャネル層は、そのキャリア供給層側界面に２
次元電子ガス領域を形成するように働く。この場合にお
いて、アンドープＩｎＰ屑は従来のＧａＡｓより２次元
電子ガスの電子ピーク速度及び飽和速度を大きくし、Ｉ
　ｎＧａＡｓより飽和速度を大きくする働きをする。ま
た、アンドープＩｎＰ層はイオン化率がＧ　ａ　Ａ　ｓ
及びＩ　ｎＧａＡｓより小さいことにより、ＦＥＴのド
レイン耐圧を高める働きをする。

さらに、１１ｆ記チャネル層とキャリア供給層間に設け
られたアンドープＩｎＧａＡｓ層は、チャネル層とキャ
リア供給層とのバンド不連続を大きくし、２次元電子ガ
スの濃度を増大させるように働く。これにより、ｎ”　
Ｉ　ｎＡｊ！　Ａｓ／アンドープＩｎＰ系のＨ　Ｅ　Ｍ
　Ｔ構造における最大飽和電流が高められる。

従って、前記課題を解決することができる。

（実施例） 第１図は本発明の実施例における半導体素子の層構造を
示す断面図である。

例えばＦｅドープの半絶縁性ＩｎＰ基板１１上には、ア
ンドープＩｎＰ層から成るチャネル層１２が形成されて
いる。チャネル層１２はキャリア密度をＩ　Ｘ　１　０
１６ｃ　ｍ’以下とし、その膜厚は１０００人以上であ
る。チャネル層１２上には、アンドープＩ　ｎＧａＡｓ
層１３が形成されている。

このアンドープＩｎＧａＡｓ層１３はキャリア密度を５
Ｘ１ｃｍ−３以下とし、その膜厚は１０〜２００八の範
囲内に設定されている。

前記アンドープＩ　ｎＧａＡｓ層１３上には、アンドー
プＩｎＡρＡｓｈから成るスペーサ層１４が形成されて
いる。スペーサ層１４の膜厚は２００人以下に設定され
ている。さらにスペーサ層１４上には、ｎ　　ＩｎＡｆ
ＪＡｓ層から成るキャリア供給層１５が形成されている
。キャリア供給層１５は、例えば膜厚１　０　０　０人
程度及びキャリア密度２　Ｘ　１　０１８ｃ　ｍ’程度
である。

このように横成された半導体素子の楢ｊムは、次のよう
に行なわれる。

先ず半絶縁性ＩｎＰ基板１１上に、例えば有機金属化学
堆積法（ＩＶＩＯＣＶＤ法）等により、６００〜７５０
℃程度の温度でアンドープＩｎＰ層を成長させ、チャネ
ル１１２を形成する。次いでチャネル層１２上に、アン
ドープＩ　ｎＧａＡｓ層１３を温度６００〜７００℃程
度で成長させる。

次にアンドープＩｎＧａＡｓ層１３上に、アンドープＩ
　ｎＡＩ　Ａｓ層を６００〜８００゜Ｃ程度の温度で成
長させ、スベーサ層１４を形成する。さらにその上に、
ｎ　　Ｉ　ｎＡ．ＩＩ　Ａｓ層をアンドープＩｎＡＪＩ
Ａｓ層と同程度の温度範囲で成長させれば、キャリア供
給層１５が形成される。

このように形成されな層構遣において、キャリア供給層
１５からスペーサ層１４及びアンドープＩｎＧａＡｓＪ
何１３を介して電子が供給され、チャネル層１２のキャ
リア洪給Ｍ１５側界面に２次元電子ガス領域１６が形成
される。

ここに、チャネル層１２を構成するＩｎＰは、従来のＧ
ａＡｓよりも電子のピーク速度と飽和速度が大きく、Ｉ
ｎＧａＡｓと同程度のピーク速度とより大きな飽和速度
を有するという特徴がある。

それ故、従来のアンドープＧａＡｓ層をチャネル層とし
た構造に比べてピーク速度及び飽和速度を大きくするこ
とができ、アンドープＩｎＧａＡｓ層をチャネル層とし
た椙造より飽和速度を大きくすることができる。

さらにＩｎＰは、イオン化率がＧａＡｓ及びＩｎＧａＡ
ｓより小さいという特徴を有しており、ＦＥＴの形成に
際してドレイン耐圧の向上を図ることができる。

これらのＩｎＰの特徴は、ゲート長１μｍ程度以下の短
チャネルＦ　Ｅ　’Ｉ’の特性を向上させる−トで極め
て有効であり、ＩｎＰ中に２次元電子ガスを形成するこ
とにより、ＧａＡｓ及びＩ　ｎＧａＡｓを用いた場合よ
りも優れたＦＥＴを形成することが可能となる。

上記のようにＩｎＰをチャネル層１２に用いることによ
り、従来の課題が解決され、その限りにおいてはアンド
ープＩｎＧａＡｓ層１３を設ける必要はない。しかし、
このアンドーフ゜Ｉ　ｎＧａＡＳ層１３を設けない場合
には、２次元電子ガスの濃度に制約を受けるという不具
合を生じる。この不具合を解決するためには、アンドー
プＩ　ｎＧａＡｓｌｌ３の設置が不可欠の条件となる。

前記２次元電子ガスの濃度について、第３図及び第４図
を用いて説明する。第３図は第１図の層構造からアンド
ープｌ　ｎＧａＡｓ層１３を除いた構造におけるバンド
ダイヤグラムを示し、第４図は第１図の層構造における
バンドダイヤグラムを示すものである。いずれの図にお
いても、Ｘ軸方向は層構造の分布を表わし、Ｙ軸方向は
エネルギーバンドを表わしている。また、Ｘ軸に平行な
一点鎖線はセルミ順位を示している。

先ず第３図のアンドーフ゜ＩｎＧａＡｓ層１３のない場
合において、Ｉ　ｎＡＪ）Ａｓのスペーサ層１４とＩｎ
Ｐチャネル層１２とのバンド不連続Ａは、約０，２４ｅ
Ｖと物理的に決定されている値しかとり得ない。そのた
め、ＩｎＰに格子整合したＩｎＡＮＡｓを用いる場合に
は、ＩｎＰのＩｎＡｊＡｓ側界面に形成される２次元電
子ガスの濃度は、物理的に決定される値以上にすること
ができない。

従って、ｎ”　Ｉ　ｎＡ．ｌ！　Ａｓ／アンドープＩｎ
Ｐ系のＨＥＭＴｔＡ造における最大飽和電流は、これら
の材料によって決定されてしまうことになる。このこと
は、スペーサ層１４を設けないｎ　　ＩｎＡ．ｌｌＡＳ
／アンドープＩｎＰ系についても、同様のことがいえる
。

これに対し、アンドープＩｎＧａＡｓ層１３を設けた場
合には、第４図のバンドダイヤグラムに示すように、ス
ペーサＪ’ｉｌ４とアンドープＩｎＧａＡｓ層１３との
バンド不連続Ｂが非常に大きくなる。

例えば、チャネル層１２をキャリア密度２×１０１４ｃ
ｍ’、膜厚１μｍとし、アンドープＩｎＧａＡｓ層１３
をキャリア密度３ＸＩＯ１４ｃｍ−３膜厚１００人とし
、スペーサ層１４をキャリア密度５×１０１６ｃｍ−３
、膜厚５０人とし、キャリア供給層１５をキャリア密度
２　Ｘ　１　０１８ｃ　ｍ−３、膜厚１０００人とした
ＪＭＪｔＸ４遣を製作したところ、前記バンド不連続Ｂ
の値は約０．５２ｅＶが得られた。この結果、アンドー
プＩｎＧａＡｓ層１３がない場合には、２次元電子ガス
濃度が４．５×１０１１ｃｍ−２であったものが、アン
ドープＩｎＧａＡｓ層１３を導入することにより、１．
１×１０　１２ｃ　ｍ−”と２倍以上に増加させること
ができた。

このように、チャネル層１２とスペーサ層１４間に薄い
アンドープＩｎＧａＡｓ層１３を介在させることにより
、２次元電子ガス濃度の増加を図ることかできる。この
場合において、アンドープＩｎＧａＡｓ層１３の膜厚は
、キャリア供給層１５からの電子を通過させ、効果的に
２次元電子ガス濃度を高めるために、１０〜２００人の
範囲内とすることが好ましい。

本実施例においては、アンドープＩｎＰｌから成るチャ
ネル層１２とｎ＋ｌ　ｎＡＪ！　Ａｓ層から成るキャリ
ア供給層１５とによって、ｎ”ＩｎＡ．ＩＩＡｓ／アン
ドーグＩｎＰ系のＨ　Ｅ　Ｍ　Ｔ構遣を横成したので、
電子のピーク速度及び飽和速度を大きくすることができ
る。また、ＦＥＴの形成に際してドレイン耐圧の向上を
図ることも可能になる。

さらに本実施例では、チャネル層１２とキャリア供給層
１５との間に薄いアンドーブＩ　ｎＧａＡｓＱＷ１３を
設けることにより、２次元電子ガスの濃度を高められる
ので、ＨＥＭＴ梧造の最大飽和電流を増大させ、最大ト
レイン電流の大きなＩ”ＥＴを得ることができる。

なお、本発明は図示の実施例に限定されず、種々の変形
が可能である。例えば第１図のスペーサ層１４は必ずし
も設けなくてもよいし、また例示したキャリア密度、膜
厚及び温度条件等を実状に合わせて変更することも可能
である。

（発明の効果） 以上詳細に説明したように、本発明によれば、チャネル
層をアンドープＩｎＰ層で形成しキャリア供給層をｎ　
　Ｉ　ｎＡ．ｌｌ　Ａｓ層で形成したので、アンドープ
ｌｎＰ層の界面に２次元電子ガス領域を形成することが
できる。これにより、ｎ＋ＩｎＡｌＡｓ／アンドープＩ
ｎＰ系のＨＥＩＶＩＴｔＡ造から成る半導体素子が横成
され、電子のピーク速度や飽和速度を従来のＨＥＩＶＩ
Ｔ構遣より大きくすることができる。また、ＦＥＴのト
レイン耐圧を向上させることも可能となる。

さらに、チャネル層とキャリア供給層間に膜厚１０〜２
００人範囲内のアンドープＩｎＧａＡｓ層を設けること
により、２次元電子ガス濃度を大幅に増加できるので、
ＦＥＴの形成に際してその最大飽和電流値の増大を図る
ことが可能となる。

それ故、相互コンダクタンスやカットオフ周波数等のＦ
ＥＴの特性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例における半導体素子の層構造を
示す断面図、第２図は従来の半導体素子の層構造を示す
断面図、第３図は第１図のＮ横遣からアンドープＩ　ｎ
ＧａＡｓ層を除いた禍遣におけるバンドダイヤグラム、
及び第４図は第１図の層構造におけるバンドダイヤグラ
ムである。 】１・・・・・・半絶縁性基板、１２・・・・・・チャ
ネル層、１３・・・・・・アン′ドーフ゜ＩｎＧａＡｓ
ｌ、１４・・・・・・スペーサ層、１５・・・・・・キ
ャリア供給層、１６・・・・・・２次元電子ガス領域。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 半絶縁性基板の上に形成されたチャネル層と、前記チャ
   ネル層の上に形成されそのチャネル層側に電子を供給す
   るキャリア供給層と、前記電子の供給によって前記チャ
   ネル層の前記キャリア供給層側界面に形成される２次元
   電子ガス領域とを備えた半導体素子において、 ＩｎＰ基板からなる半絶縁性基板の上に形成されたアン
   ドープＩｎＰ層からなるチャネル層と、ｎ＾＋ＩｎＡｌ
   Ａｓ層で形成されたキャリア供給層と、 前記チャネル層と前記キャリア供給層との間に膜厚が１
   ０〜２００Åの範囲内で形成されたアンドープＩｎＧａ
   Ａｓ層とを、 有することを特徴とする半導体素子。