JPH0230149A

JPH0230149A - ヘテロ接合電界効果トランジスタ

Info

Publication number: JPH0230149A
Application number: JP18050388A
Authority: JP
Inventors: Fumio Matsumoto; 松本　史夫
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1988-07-20
Filing date: 1988-07-20
Publication date: 1990-01-31

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乏次元電子ガスを利る。

（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〉スフ（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
、ＪＡＰＡＮＥ５Ｅ　ＪＯＬＩＲＮＡＬ　ＯＦ　　ＡＰ
ＰＬＩＥＤ　ＰＩＩＹＳＩＣ５ＶＯＬ　１９ＮＯ，５，
ＭＡＹ、　１９８０　ｐｐ、　　１．２２５−　Ｌ２２
７’　Ａ　　ＮｅｗＦ　１ｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ　　Ｔ
ｒａｎｓｉｓｔｏｒ　　ｗｉｔｈ　　５ｅｌｅｃｔｉｖ
ｅｌｙＤｏｐｅｄ　ＧａＡｓ／ｎ−Ａ　ｌ　ｘＧａ＋−
ｘ　Ａｓ　Ｈｅｔｅｔｏｊｕｎｃｔｉｏｎｓ　Ｊ　、特
公昭５９−５３７１４号公報参照）。

第３図はＡρＧ　ａＡ　ｓ−Ｇ　ａＡ　ｓ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（２１）上に分子線エビタ
キシ（ＭＢＥ）技術または有機金属エピタキシ（ＯＭＶ
ＰＥ＞技術ニヨリ、ノンドープＧｌＩＡ！ＩＪＩ（２２
）を１−の厚さまで成長させ、該ノンドープＧ　ａＡ　
ｓＭｊ　（２２）上にノンドープＡｌｘＧａ、−ｘＡｓ
層（２３）を０〜６０人の厚さまで成長させ、次に該ノ
ンドープＡ　Ｊ！　ｘＧ　ａ、−ｘＡ　ｓＪ！１（２３
）上にＳｉドープＡりｘＧ　ａ、−ｘＡ　５Ｊｌｉ　（
Ｓ　ｉａ度：　０．５〜２．ＯＸ　１０”ＣｌＴｌ−’
）（２４）を２５０〜４５０人の厚さまで成長させ、き
らに該ＳｉドープＡｌｘＧａ、−ｘＡｓ層（２４）上に
ＳｉドープＧａＡＳＷＩ（Ｓｉ４度：　０．１〜５．０
Ｘ１０”ａｎ−３）（２５）を１００〜１５００人の厚
さまで成長きせる。ここで、Ｘは略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Ｇ　ａＡ　ｓ暦（２５）、Ｓ
ｉドープＡ　１　ｘＧ　ａｔ−ｘＡ　ｓ層く２４）、ノ
ンドープＡｌｘＧａ、−ｘＡｓ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Ｇ　ａ　Ａ　５Ｊｆｌｌ　（２５）を除去し、
リセス部（２８）を形成し、このりセス部（２８）上に
ゲート電極（２９）を形成する。このゲート電極（２９
）はＡｌまたはＴｉ−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製されたＨＥＭＴにおい
ては、ノンドープＡ　ＲｘＧ　ａｔ−ｘＡ　ｓ層（２３
）とノンドープＧａＡｓ層（２２）とのへテロ接合界面
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Ａ　ｌ　ｘＧ　ａ、−ｘＡ　
５Ｊｉｌ（２４）がゲート電極（２９）のショットキバ
リアΦｍ及びノンドブＧａＡｓ層（２２）とノンドープ
Ａ　ｐｘＧａ、−ｘＡｓ層（２３）の電子親和力の差に
よる伝導帯エネルギ差ΔＥｃにより空乏化し、正にイオ
ン化した不純物により、ノンドープＡ　Ｉｔ　ｘＧａｔ
−ｘＡｓ層（２３）とノンドープＧ　ａＡ　５Ｈｊ（２
２）とのへテロ接合界面に負電荷を持つ電子が誘起され
、該２次元電子ガスチャンネル（３０）が形成される。

ゲート電極（２９）の電解効果により２次元電子ガスナ
ヘ・ンネル（３０）を通過する電子を制御することによ
り、第３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Ａ　ｌ　ｘＧａ、−ｘＡｓ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、良好なオーミンク電極形成が困難なの
で、ＳｉドープＧａＡｓ層（２５）を設けている。

第４図は従来のＨＥ　Ｍ　Ｔのゲート電極（２９）　−
５ｉドープＡ　ｌ　ｘＧ　ａ、−ｘＡ　ｓＪｉ！（２４
）−ノンドープＡｌ　ｘＧ　ａ、−ｘＡ　ｓＭｊ（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Ｂ＋領域はＳｉドープＡｌｘＧａ、−
ｘＡｓ層（２４）に、Ｂ、領域はノンドープＡ　ｌ　ｘ
Ｇ　ａ、−ｘＡ　ｓ層（２３〉に、Ｂ、領域は２次元電
子ガスチ・ヤンネル（３０）に、Ｂ、領域はノンドープ
ＧａＡｓ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、　Ｂｓ及びＢ、領域
が１．４３ｅＶである。また、Ｂ、領域とＢ、領域との
界面すなわちＡ　ｆｌ　ｘＧ　ａｔ−ｘＡ　ｓ暦（２３
）とＧａＡｓ層（２２）との−・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、ｅｘＧａ。

−ｘＡｓ層（２３）とＧ　ａ　Ａ　ｒＪｌ（２２）とが
いずれもノンドープであり、しかもＳｉドープＡ　ｌ　
ｘＧａ、−ｘＡｓＪ！（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＞ノ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ｎ、は約５×１
０”ｃｍ−’テアル＠（ハ）発明が解決しようとする課題ところで、上述したＨＥＭＴにおいて、ＳｉドープＡ　
ｌ　ｘＱａ、−ｘＡｓ層（２４）の不純物濃度を高く設
定すると、ゲート電極（２９）下の空乏層厚さが薄くな
り、ゲート容量ｃｇｓが大きく、そして、ゲート耐圧Ｖ
□が小きくなるという問題がある。

また、ＳｉドープＡ　ｊ！　ｘＧ　ａ、−ｘＡ　ｓ、＠
　（２４）の不Ｍ物濃度を低く設定すると、２次元電子
ガス濃度ｎ。

が低下し、ゲート・ソース間抵抗Ｒ３が大きくなリ、相
互コンダクタンスｇｍは小きくなるという問題がある。

本発明は上述の両問題に鑑み為されたものであって、ト
ランジスタ性能の優れた（ゲート春風Ｃｇｓが小、ゲー
ト耐圧■。が大、相互コンダクタンス、ｇ、、が大）Ｈ
ＥＭＴを提供しようとするものである。

＜二〉　　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
上に設けられた電子供給層と、この電子供給ｆｆ１．）
：に設けられた半導体グーヤンネル届と、この半導体チ
ャンネル層上に設けられた半導体障壁層と、この半導体
障壁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、前記電子供給層は不純物を含み、前記半導体チャン
ネル層及び前記半導体障壁層はノンドープであり、かつ
、前記電子供給層及び前記半導体障壁層の禁止帯幅は前
記半導体チャンネル層の禁止帯幅よりも大きいことを特
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１子ガス濃度ｎ、はヘテロ接合界面での電界強度
をＦｉｌ、電子供給層の誘を率をε、とすると、ｎ　ｓ
”　Ｆ　１ｘε、／ｑ（ただし、ｑは電子の電荷）とな
り、Ｆ１２は電子供給層の不純物濃度Ｎ！に依存する。

本発明によれば、電子供給層は半導体チャンネル層より
も基板間にあるため、不純物ｍｆＮ、をＩ−・分大きく
しても、制御電極のショットキ特性への彩りは・Ｊ−い
い。また、制御電極はノンドープの゛ト導体障Ｖ層とに
設けられるため、該障壁ｍを十分厚くしても、制御電極
下は空乏化する。

（へ）実施例第１図は本発明に係るヘテロ接合を用いたＨＥＭ　Ｔ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。

上ず、半絶縁性ＧａＡｓ基板（半絶縁性結晶基板）（１
）上にＭＢＥ技術によりバッファ層となるノンドープＡ
　Ｉ！　ｘＧ　ａｔ−ｘＡ　ｓ層（２）を５０００人の
厚きまで成長させ、該ノンドープＡ　Ｑ　ｘＧ　ａ、−
ｘＡ　ｓ層（２）上にＳｉドープＡ　Ｑ　ｘＧ　ａｔ−
ＸＡ　ｓ層（Ｓｉ濃度ｉ　３　Ｘ　１０”ｆｆ１−３＞
（ｔｉｔ子供給７！＞（３）を３００人の厚さまで成長
させ、該ＳｉドープＡ　ｌ　ｘＧ　ａｔ−ｘＡ　ｓ層（
３）上にノンドープＡｊ！ｘＧａ＋−ｘＡｓ層（４）を
２０人の厚きまで成長許せ、該ノンドープＡｌｘＧａ、
−ｘＡｓ層（４）上にノンドープＧａＡｓ層（半導体チ
ャンネル層）（５）を１００人の厚さまで成長さセ、該
ノンドープＧａＡｓ層（５）上にノンビープＡ　（ｌ　
ｘＧ　ａｔ−ｘＡ　ｓ層（半導体障壁層）（６）を６０
０人の厚さまで成長きせ、該ノンドープＡ　ｊ！　ｘＧ
ａ、−ｘＡｓＪｉ！（６）上にＳｉドープＧａＡＳ層（
Ｓｉ濃度：　３　Ｘ　１０”ｃｍ−３）（７）を５００
人の厚きまで成長させる。ここでＸは略０．２５である
。

その後、このようにして形成きれたヘテロエピタキシャ
ル基板上にＡ　ｕ−Ｇ　ｅ／　Ｎ　ｉ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ＧａＡｓＭ（７）、
ノンドープＡ　ｌ　ｘＧａ、−ｘＡｓ層（６）およびノ
ンドープＧａＡｓ層（５）に貫通させてソース電極（入
力電極）（８）、ドレイン電極（出力電極）（９）を形
成する。

前記ソース′ト極（８）とドレイン電極（９〉間のＳｉ
ドープＧａＡｓ１！１（７）を除去し、リセス部（１１
）を形成し、このリセス部（１１）−ヒにゲート電極（
１０）を形成する。このゲー・ト電極（１０）はＡＩ！
またはＴｉ　−Ｐ　ｔ　−Ａ　ｕ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。

上述した如き製造方法により作製されたＨＥＭＴにおい
ては１．／ンドープＧａＡｓＪｌ（５）に２次元１Ｍ、
ｒ・ガス・トヤンネルが形成される。ＳｉドープＡｌ　
ｘＧ　ａ、−ｘＡ　ｓ層（３）がノント°−ブＧａＡｓ
Ｊ（５）とノンドープＡｌｘＱａ、−ｘＡｓ泗（４）の
電子親和力の差による伝導帯エネルギ差△Ｅｃにより空
乏化し、正にイオン化した不純物により、ノンドープＧ
ａＡｓ層（５）に負電荷を持つ電子が誘起され、該２次
元電子ガスチャンネルが形成される。

第２図は作製したＨ　Ｅ　Ｍ　Ｔのゲート電極（１０）
−ノンドープＡ　ＲｘＧａ、−ｘＡｓ層（６）−ノンド
ーブＧａＡｓ層（５）−ノンドープＡ　Ｉ２　ｘ　Ｇ　
ａ、、　−Ｘ　Ａ　ｓ層（４）−Ｓ　ｉドープＡ　１　
ｘＧ　ａ、−ｘＡ　Ｓ署（３）　−／ンドーブＡ　Ｒｘ
Ｇａ、−ｘＡｓ層（２）に亘る伝導帯エネルギ図である
。図中Ａ、領領域ノンドープＡ　ｌ　ｘＧａ＋−ｘＡｓ
Ｊ！（６）に、Ａ、領域はノンドープＧａＡｓ層（５）
に、Ａ、領域はノンドープＡ　ＲｘＧ　ａｔ−ｘＡ　Ｓ
ｓ　（４＞に、Ａ１領域はＳｉドープＡ　ｌ　ｘＧａ、
−ｘＡｓ層（３）に、Ａ、領域はノンドープＡ９ｘＧａ
、−ｘＡｓ層（２）に夫々対応しており、禁止帯幅はＡ
いＡ３、Ａ４およびＡ、領域が１，７４ｅＶ、　Ａ！領
領域１．４３ｅＶである。また、Ａ１領域とＡ、領域の
界面すなわちＡｌｘＧａ、−ｘＡｓＪ！（６）とノンド
ープＧａＡｓ［（５）とのへテロ接合界面およびＡ、領
域とＡ、領域の界面すなわちノンドープＧａＡｓ層（５
）とＡ　ｌ２ｘＧａ、−ｘＡｓ層（４）とのへテロ接合
界面の伝導帯エネルギ差は略０．２６ｅＶである。Ｇａ
Ａｓ層（５）はノンドープであり、しかもＳｉドープＡ
ｌｘＧａ、−ｘＡｓ層（３）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（８）とドレイン電極（９）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次元電子ガス源度ｎ、は約１（１
，５Ｘ１０■ｃ＋Ｔｌ−２テアル。

２ノンドープＡ　ｌ２ｘＧａ、−ｘＡｓ層（６）はゲー
ト電極（１０）のショットキバリアΦｍおよびノンドー
プＧａＡｓ！（５）との電子親和力の差による伝導帯エ
ネルぞ差△Ｅｃにより空乏化しているので、ゲート電極
（１０）の電界効果により２次元電子ガスチャンネルを
通過する電子を制御することにより、第１図に示す装置
はＨＥＭＴとしてトランジスタ動作をイｊなう。尚、ト
ランジスタ動作を行なうには、／　ンドーブＡ　１２ｘ
Ｇａ、−ｘＡｓ層（２）（４）及びＳｉドープＧａＡｓ
層（７）は必ずしも必要ではない。

斯かるＨＥＭＴにおいては、電子を供給するＳ１ドープ
Ａ　４２　ｘＧ　ａ、−ｘＡ　ｓｌｌ　（３）はチャン
ネルとなるノンドープＧａＡｓ層（５）よりも基板（１
）側に存在する。従って、ＳｉドープＡ　ｌ　ｘＧａ＋
−ｘＡＳＪｉｉ（３）の不純物濃度は、ゲート電極（１
０）のショットキ特性に影響を及ぼずことは殆んどない
。よって、ＳｉドープＡ　ｌ　ｘＧ　ａｔ−ＸＡ　ｓ層
〈３）の不純物濃度を従来のＨＥＭＴではゲート耐圧Ｖ
Ｂ１１の関係（■８．を一定値以上にするには不純物濃
度を小さくする必要がある。）から用いることができな
かった２　Ｘ　１０”ａｍ−’以上とすることができ、
２次元電子ガス源度ｎ、を増大させることができる。

尚、本実施例の如く不純物ａ度を３　Ｘ　ＩＱ”ｃｍ−
’に設定すると、ニーれにより相互コンダクタンスｇ。

が従来に比べ２０％増大した。また、本実施例では不純
物濃度を３　Ｘ　ＩＱ１８ｃＴｎ−３としたが、結晶の
品質が劣化しない範囲で可能な限り高くすることができ
、高くすることにより相互コンダクタンスｇ。

が増大する。

また、ゲート電極（１０）下のＡ　ｊｌ’　ｘＧａ、−
ｘＡｓ層（６）はノンドープであるので、キャリアが殆
んどなく、核層（６）を厚くしても空乏化は容易であり
、厚くすることによりゲート容量Ｃｇｓを低減、ゲート
耐圧ｖｌｌ＊を増大させることができる。尚、本実施例
の如く層（６）の膜厚を６００人に設定すると、これに
よりゲート容量Ｃｇｓが従来に比べ３０％減少し、ゲー
ト耐圧Ｖ。が従来に比べ１（１０％以上増大した。

また、上述の実施例において、ノンドープＡｌ２ｘＧａ
＋−ｘＡｓ層（６）のＸを０．３５に設定すると、前記
実施例に比して相互コンダクタンスｇ１及びゲート耐圧
■。が数％向上する。ただし、Ｘが０．２５の方がＡ　
ｅ　ｘＧａ＋−ｘＡｓ）借の結晶性は良い。尚、Ｘが０
．３５のときのノンドープＡ　ＲｘＧ　ａ、−ｘＡ　Ｓ
、＠　（６）の禁止帯幅は１．８６ｅＶであり、ノンド
ープＡりｘＧａ。

−ｘＡＳＪｉｉ＜６）とノンドープＧａＡｓ層（５）と
のヘテ１７接合界面の伝導帯エネルギ差は略０．３７ｃ
Ｖである。

ｊ：だ、リセス部（１１）は前記ノンドープＧＡＡｓＪ
ｆｆｉが露け）するように形成され、この露出きれたノ
ンドープＧａＡｓ層上にゲート電極（１０）が形成され
るので、ノンドープＡ　（ｌ　ｘＧ　ａ、−ｘＡ　ｓ洛
（６）とＳｉドープＧａＡｓ層（７〉の間にノンドープ
ＧａＡｓ＠を設けることにより、不安定な、ノンドープ
Ａｌ’ｘＧａ。

ｘＡＳＪｉｉ（６）表面を保護することができる。

−上述の実施例では各層の成長にはＭＢＥ法を用いたが
、急峻なペデロ接合界面を形成できる方沫、例えばＯＭ
ＶＰＥ技術等を用いること赤できる。

また、本発明はＩ　ｎＧａＡｓ　−ｒ　ｎＡ　ＲＡｓへ
テロｊＨ合、ＩｎＰ−１ｎＧａＡｓヘテロ接合等に適用
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次元ボ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、電子供給層は半
導体チャンネル泗よりも基板側にあるので、不純物濃度
を大きくでき、相互フンダクタンスｇ、を増大させるこ
とができる。また、制御電極は、ノンドープの半導体障
壁層上に設けられるので、該障壁層を厚くでき、ゲート
春目Ｃｇｓを低減及びゲート耐圧Ｖ。を増大させること
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電界効果トランジスタ
の模式的断面図、第２図は本発明に係るヘテロ接合電界
効果トランジスタの伝導帯エネルキ図、第３図は従来の
へテロ接合電界効果トランジスタの模式的断面図、第４
図は従来のへテロ接合電界効果トランジスタの伝導帯エ
ネルギ図である。（１）・・・半絶縁性ＧａＡｓ基板（半絶縁性結晶基板
）、（３）−５ｉドープＡ　ｌ　ｘＧ　ａｔ−ＸＡ　ｓ
層（電子供給層）、（５）・・・ノンドープにａＡｓ（
半導体チヘ・ンネル層）、（６）−／ンドーブＡ　ｌ　
ｘＧａ、−ｘＡｓ層（半導体障壁層）、（８）・・・ソ
ースｔ、ｆ！Ｉ（入力電極）、（９）・・・ドレイン電
極（出力電極）、（１０）・・・ゲート電極（制御電極
）、（１１）・・・リセス部。

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
設けられた電子供給層と、この電子供給層上に設けられ
た半導体チャンネル層と、この半導体チャンネル層上に
設けられた半導体障壁層と、この半導体障壁層上に設け
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、前記電子供
給層は不純物を含み、前記半導体チャンネル層及び前記
半導体障壁層はノンドープであり、かつ、前記電子供給
層及び前記半導体障壁層の禁止帯幅は前記半導体チャン
ネル層の禁止帯幅よりも大きいことを特徴とするヘテロ
接合電界効果トランジスタ。