JPH0282653A - Field-effect transistor and semiconductor integrated circuit device - Google Patents

Field-effect transistor and semiconductor integrated circuit device

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JPH0282653A
JPH0282653A JP63235423A JP23542388A JPH0282653A JP H0282653 A JPH0282653 A JP H0282653A JP 63235423 A JP63235423 A JP 63235423A JP 23542388 A JP23542388 A JP 23542388A JP H0282653 A JPH0282653 A JP H0282653A
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mobility
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晃 石橋
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  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
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Abstract

PURPOSE:To enable an ultra-high speed operation of theoretically maximum speed without depending upon the mobility of carriers in a semiconductor used by specifying the gate length in a field-effect transistor. CONSTITUTION:Gate length Lg in a field-effect transistor is selected as shown in formula I. Transconductance gm takes a maximum value by the saturated velocity of carriers, and the ultra-high speed operation of theoretically maximum speed is acquired without depending upon the mobility of carriers. In formula, q represents unit charge, mu a mobility of carriers, ns a concentration of a two-dimensional carrier gas constituting a channel, (d) a channel depth, epsilon a dielectric constant of a semiconductor and Vs a saturated velocity of carriers. In a semiconductor integrated circuit device, the transconductance gm of the field-effect transistor can be arranged at a theoretically maximum value determined by the saturated velocity of carriers by selecting the gate length Lg of the field- effect transistor as shown in formula II. Each field-effect transistor is formed to the same shape, thus allowing the increase of the degree of integration and density.

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および半導体集積回路
装置に関し、特に、2次元電子ガスや2次元正孔ガスを
チャネルとして用いる電界効果トランジスタおよびこの
電界効果トランジスタにより構成される半導体集積回路
装置に関する。
Detailed Description of the Invention [Field of Industrial Application] The present invention relates to a field effect transistor and a semiconductor integrated circuit device, and in particular to a field effect transistor using two-dimensional electron gas or two-dimensional hole gas as a channel, and its field effect transistor. The present invention relates to a semiconductor integrated circuit device constituted by effect transistors.

〔発明の概要〕[Summary of the invention]

本発明による電界効果トランジスタは、ゲート長をL9
とするとき、 まただし、qは単位電荷、μはキアリアの)である。こ
れによって、使用する半導体中のキャリアの移動度によ
らず、理論的に最高の速度の超高速動作を実現すること
ができる。
The field effect transistor according to the present invention has a gate length of L9.
When , q is the unit charge and μ is the chiaria). This makes it possible to achieve the theoretically highest ultra-high speed operation, regardless of the mobility of carriers in the semiconductor used.

本発明による半導体集積回路装置は、単一の半導体基体
上に異種極性および/または異種半導体により構成され
た電界効果トランジスタが複数形成され、 上記電界効果トランジスタのゲート長をL9とするとき
、 である。これによって、異種極性および/または異種半
導体により構成された電界効果トランジスタの動作速度
をキャリアの移動度によらない理論的に最高の速度にそ
ろえることができ、しかも各電界効果トランジスタを同
一形状とすることができる。
In the semiconductor integrated circuit device according to the present invention, a plurality of field effect transistors each having a different polarity and/or made of different types of semiconductor are formed on a single semiconductor substrate, and when the gate length of the field effect transistor is L9, . As a result, the operating speeds of field effect transistors configured with different polarities and/or different types of semiconductors can be made equal to the theoretically highest speed independent of carrier mobility, and each field effect transistor can have the same shape. be able to.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

現在主流のシリコン(Si) MOS L S Iにお
けるMOSFETのゲート長は1μm程度である。
The gate length of a MOSFET in currently mainstream silicon (Si) MOS LSI is about 1 μm.

ゲート長がこの程度の場合には、このMOSFETの動
作速度はSi中のキャリアの移動度によって支配される
。ところが、Si中の電子の移動度はヒ化ガリウム(G
aAs)中の電子の移動度の約115程度と小さい。こ
のため、51M03FETは、GaAs ME S F
 ETやAlGaAs/GaAs  HE M T(l
ligh Electron Mobility Tr
ansistor)のようなGaAsを用いた高移動度
トランジスタに比べて高速性の点で劣っている。また、
将来主流となると考えられている16Mビット級のダイ
ナミックRAMのような超高集積の51M03LSrに
おいても、MOS F ETのゲート長は約0.25μ
m程度である。ゲート長がこの程度の場合にもMOSF
ETの動作速度はSi中のキャリアの移動度によって支
配され、従って高速性の点ではGaAsを用いた高移動
度トランジスタに比べてやはり劣る。
When the gate length is on this order of magnitude, the operating speed of this MOSFET is controlled by the mobility of carriers in Si. However, the mobility of electrons in Si is lower than that of gallium arsenide (G
The mobility of electrons in aAs) is about 115, which is small. Therefore, the 51M03FET is made of GaAs ME S F
ET and AlGaAs/GaAs HE M T(l
light Electron Mobility Tr
It is inferior in high-speed performance compared to high-mobility transistors using GaAs such as MOS transistors. Also,
Even in ultra-highly integrated 51M03LSr, such as 16M bit class dynamic RAM, which is considered to become mainstream in the future, the gate length of the MOS FET is approximately 0.25μ.
It is about m. Even when the gate length is around this level, MOSF
The operating speed of ET is controlled by the mobility of carriers in Si, and therefore, in terms of high speed, it is still inferior to high mobility transistors using GaAs.

一方、Si中の正孔の移動度は電子の移動度の数分の1
程度と小さい。また、GaAs等の直接遷移型バンド構
造を持つ化合物半導体は、一般に電子の有効質量が小さ
く、従って移動度が高いため、高速デバイス用の半導体
材料として期待されているが、この直接遷移型バンド構
造を持つ化合物半導体では、正孔の移動度は電子の移動
度に比べてかなり小さい、このように、Siにおいても
GaAsにおいても正孔の移動度は電子の移動度に比べ
て小さいので、電子を用いるn型FET (nチャネル
FET)と正孔を用いるp型FET (PチャネルFE
T)とを組み合わせて低消費電力の相補型FETを構成
する場合には、n型FETとp型FETとを同一形状と
すると、p型FETのトランスコンダクタンスglIは
n型FETに比べて1桁程度も悪くなる。この欠点を補
うためには、p型FETのゲート幅(チャネル幅)をn
型FETのゲート幅よりも広くする等の対策を講する必
要が生じる。
On the other hand, the mobility of holes in Si is a fraction of that of electrons.
The degree is small. In addition, compound semiconductors with a direct transition type band structure such as GaAs generally have a small effective mass of electrons and therefore have high mobility, so they are expected to be semiconductor materials for high-speed devices. In compound semiconductors with n-type FET (n-channel FET) and p-type FET (p-channel FE) that uses holes.
T) to configure a complementary FET with low power consumption, if the n-type FET and p-type FET are of the same shape, the transconductance glI of the p-type FET is one order of magnitude higher than that of the n-type FET. It also gets worse. In order to compensate for this drawback, the gate width (channel width) of the p-type FET must be n
It becomes necessary to take measures such as making the gate width wider than the gate width of the type FET.

C発明が解決しようとする課題〕 以上のように、従来のみならず、今後数年間は、51M
03FETの動作速度はSi中のキャリアの移動度によ
って支配され、このため動作速度の革新的な向上は望め
ないと考えられる。
Problems to be solved by Invention C] As mentioned above, not only in the past but also in the coming years, 51M
The operating speed of the 03FET is controlled by the mobility of carriers in Si, and therefore it is considered that no revolutionary improvement in operating speed can be expected.

また、上述のように相補型FETを構成する場合にp型
FETのゲート幅をn型FETのゲート幅よりも広(す
ることは、高集積化を図る場合には集積密度の点で不利
であるばかりでなく、LSIを設計する上でも不都合で
ある。また、配線抵抗や浮遊容量もn型FETとP型F
ETとで異なるため、これらは外因的な遅延の要因とな
る。
Furthermore, when configuring a complementary FET as described above, making the gate width of the p-type FET wider than the gate width of the n-type FET is disadvantageous in terms of integration density when attempting to achieve high integration. Not only that, but it is also inconvenient when designing LSI.Also, wiring resistance and stray capacitance are
ET, these are sources of extrinsic delay.

従って本発明の目的は、キャリアの移動度によらず、理
論的に最高の速度の超高速動作を実現することができる
電界効果トランジスタを提供することにある。
Therefore, an object of the present invention is to provide a field effect transistor that can realize ultra-high speed operation at the theoretically highest speed, regardless of carrier mobility.

本発明の他の目的は、異種極性および/または異種半導
体により構成された電界効果トランジスタの動作速度を
キャリアの移動度によらない理論的に最高の速度にそろ
えることができ、しかも各電界効果トランジスタを同一
形状とすることができる半導体集積回路装置を提供する
ことにある。
Another object of the present invention is to make it possible to align the operating speeds of field effect transistors configured with different polarities and/or different types of semiconductors to the theoretically highest speed independent of carrier mobility, and furthermore, each field effect transistor An object of the present invention is to provide a semiconductor integrated circuit device that can have the same shape.

〔課題を解決するための手段〕[Means to solve the problem]

今、第3図に示すようなSiMOSFETを考える。第
3図において、符号101はp型Si・基板、符号10
2は例えばSiO2膜のようなゲート絶縁膜、符号10
3はゲート電極、符号104はチャネルを構成する2次
元電子ガス、符号105はソース、符号106はドレイ
ンを示す。
Now, consider a SiMOSFET as shown in FIG. In FIG. 3, reference numeral 101 indicates a p-type Si substrate, and reference numeral 10
2 is a gate insulating film such as a SiO2 film, and reference numeral 10
3 is a gate electrode, 104 is a two-dimensional electron gas constituting a channel, 105 is a source, and 106 is a drain.

この第3図に示す51M03FETの飽和ドレイン電流
14sは、ソース直列抵抗R8=0と仮定した場合、次
式で表される。
The saturated drain current 14s of the 51M03FET shown in FIG. 3 is expressed by the following equation, assuming that the source series resistance R8=0.

I o=βv、t”(+  、     sL  −1
)ここで、β=ε’u W9 / d L 9である。
I o=βv, t”(+, sL −1
) where β=ε'u W9/d L9.

ただし、εは半導体(ここではSt)の誘電率、μはキ
ャリア(ここでは電子)の移動度、W9はゲート幅、d
はチャネル深さ(=ゲート絶縁膜102の厚さ+2次元
電子ガス104の厚さ)である。また、vfiLは、キ
ャリアのドリフト速度が飽和速度■5に達する電界F、
およびゲート長しgを用いて、V、、−F、L、と表さ
れる。この電界F8は、飽和速度■、および移動度μを
用いて、F、=V。
However, ε is the dielectric constant of the semiconductor (St in this case), μ is the mobility of carriers (electrons in this case), W9 is the gate width, and d
is the channel depth (=thickness of gate insulating film 102+thickness of two-dimensional electron gas 104). In addition, vfiL is the electric field F at which the carrier drift speed reaches the saturation speed ■5,
and gate length g, it is expressed as V, , -F,L. This electric field F8 is given by F,=V, with saturation velocity ■ and mobility μ.

/μと表される。さらに、’J、   −V、   V
otr=qnsd/εである。ただし、■9はゲート電
圧、■。、fはしきい値電圧、qは単位電荷(電子電荷
の絶対値)、nsは2次元電子ガス104の濃度(面濃
度)である。
/μ. Furthermore, 'J, -V, V
otr=qnsd/ε. However, ■9 is the gate voltage, ■. , f is the threshold voltage, q is the unit charge (absolute value of electron charge), and ns is the concentration (surface concentration) of the two-dimensional electron gas 104.

上述の51M03FETのトランスコンダクタンスg+
aは、(1)式を■9で偏微分することにより求めるこ
とができる。すなわち、 σ ■9 一β■9 (t +v9 ′z /V、t”  )−””dL。
Transconductance g+ of the above 51M03FET
a can be obtained by partially differentiating equation (1) with respect to (■9). That is, σ ■9 - β ■9 (t + v9 'z /V, t" ) - ""dL.

ε TのようなFETにも適用することができる一般的なも
のである。なお、この(2)式と同一の式は、TEEE
 Transactions on Electron
 Devices vol、 ED−33,no、5.
 pp、625−632. MAY 1986において
も導かれている。
It is a general one that can also be applied to FETs such as εT. Note that the same equation as this equation (2) is TEEE
Transactions on Electron
Devices vol, ED-33, no, 5.
pp, 625-632. It is also guided in MAY 1986.

ゲート長り、が大きい従来のFETのgIllは(2)
式においてL9→ωとしたものに等しいと考えることが
でき、この場合には(2)式の()内の第2項が消えて ここで、最後の等号では、F、=V、/μの関係を用い
た。
gIll of a conventional FET with a large gate length is (2)
It can be considered that it is equivalent to changing L9 → ω in the equation, and in this case, the second term in parentheses in equation (2) disappears, and here, in the last equal sign, F, = V, / The relationship of μ was used.

結局、トランスコンダクタンスg7は、・・−−−−一
・−・−(2) と表すことができる。この(2)式は、51M03FE
Tばかりでな(、例えばGaAsを用いたHEM=・・
−・−・−(3) となる。(3)式から明らかなように、従来のFETに
おいては、W、を一定と考えると、μ、L。
In the end, the transconductance g7 can be expressed as...------(2). This formula (2) is 51M03FE
Not only T (for example, HEM using GaAs =...
−・−・−(3) As is clear from equation (3), in the conventional FET, assuming that W is constant, μ and L.

、n、でg、が決められる。従って、SiのμがGaA
s等に比べて小さいという欠点がglに反映されてしま
う。
,n, determines g. Therefore, μ of Si is GaA
The disadvantage of being smaller than s etc. is reflected in gl.

次に、(2)式においてり、→0とした場合には、()
内の第1項は消え、 quWq  n、     eV、L。
Next, in equation (2), if →0, then ()
The first term in disappears, quWq n, eV, L.

L9      9μn、  d と、結局 となる。(4)式から明らかなように、gmはd、■5
のみで決まる。従って、この場合には、μがいくら小さ
くても、この欠点はgsに反映されない。なお、g、5
g1である。
The result is L9 9 μn, d. As is clear from equation (4), gm is d, ■5
Determined only by Therefore, in this case, no matter how small μ is, this drawback is not reflected in gs. In addition, g, 5
It is g1.

(4)弐において、dは例えば数十人程度以下に小さく
することができる。また、■5はSiとGaAsとでほ
とんど変わらず、むしろSiの方がGaAsよりも大き
い位である(第7図参照)。このことがら、既に述べた
HEMTよりもg。の高い51M03FETを実現する
ことができることがわかる。そのための条件は、(2)
式の()内の第2項が第1項よりも大きいことである。
(4) In 2, d can be reduced to, for example, several tens of people or less. Furthermore, 5 is almost the same between Si and GaAs, and is actually larger in Si than in GaAs (see FIG. 7). This makes it easier than the HEMT mentioned above. It can be seen that it is possible to realize a 51M03FET with high resistance. The conditions for this are (2)
The second term in parentheses of the equation is larger than the first term.

すなわち、 であることがその条件である。(5)弐を変形するがそ
の条件となる。
In other words, the condition is that . (5) Transforming the second is a condition.

次に、(6)式を満足するし、の値について具体的に考
察する。
Next, we will specifically consider the value of which satisfies equation (6).

第4図A〜第4図りは、トランスコンダクタンスg、%
とゲート長L9との関係を計算で求めた結果を移動度μ
をパラメータとして示したものである。計算は、d=1
0.30人、n5=101!1013cm−tの場合に
ついて行った。例えば、第4図Cに示すような典型的な
条件、すなわちd=30人、n、 =+ l Q 12
c、−2、μ=500c+fi/Vsで考えると、gn
が■1によって決まるり、の範囲は、Lg≦500人で
あることがわかる。従って、Lg≦500人とすること
により、理論的に最高のglが得られ、これによってH
EMT等に比べてより高速動作が可能な51M03FE
Tを実現することができる。なお、第4図A〜第4図り
かられかるように、g、のり、依存性がなくなるL9の
値は、nlが大きいほど、またμが大きいほど大きい。
Figure 4A to 4th diagram are transconductance g,%
The result of calculating the relationship between and the gate length L9 is the mobility μ
is shown as a parameter. The calculation is d=1
The experiment was carried out for the case of 0.30 people and n5=101!1013 cm-t. For example, typical conditions as shown in Figure 4C, d = 30 people, n = + l Q 12
Considering c, -2, μ=500c+fi/Vs, gn
is determined by ■1, and it can be seen that the range of is Lg≦500 people. Therefore, by setting Lg≦500 people, the theoretically highest gl can be obtained, which leads to H
51M03FE capable of faster operation than EMT etc.
T can be realized. As can be seen from FIGS. 4A to 4, the value of L9 at which g, glue, and dependence disappear increases as nl increases and as μ increases.

次に、第5図Aおよび第5図Bは、GaAsを用いたF
ETにおいてGaAs層の表面から100人の深さの所
にデイラック−デルタドープ層(2次元的な広がりを持
った単原子層の不純物ドープ層であり、以下、δドープ
層という)を形成した場合について(2)式を用いてg
lとL9との関係を計算により求めた結果を示す。ここ
で、第5図Aはδドープ層から発生するキャリアが電子
である場合、第5図Bはδドープ層から発生するキャリ
アが正札である場合を示す。また、δドープ層の所に形
成される2次元電子ガスまたは2次元正孔ガスの濃度n
8としては、1013cm−” (ピーク濃度(体積濃
度)で1019c13)を典型的な値として用い、2次
元電子ガスまたは2次元正孔ガスから成るチャネルの深
さdはいずれも100人とした。さらに、第6図より、
このときの電子の移動度μ。および正孔の移動度μ、は
、μ、 = 1000cJ/VS、μp = 100 
ci/ V sととツタ。マタ、−’i−+リアの飽和
速度V、としては、第7図より求められる値を用いた。
Next, FIGS. 5A and 5B show F using GaAs.
Regarding the case where a Dirac-delta doped layer (a monoatomic layer impurity doped layer with two-dimensional expansion, hereinafter referred to as δ doped layer) is formed at a depth of 100 nm from the surface of the GaAs layer in ET. Using equation (2), g
The results of calculating the relationship between l and L9 are shown. Here, FIG. 5A shows a case where the carriers generated from the δ-doped layer are electrons, and FIG. 5B shows a case where the carriers generated from the δ-doped layer are genuine cards. Also, the concentration n of two-dimensional electron gas or two-dimensional hole gas formed in the δ-doped layer
8, 1013 cm-'' (peak concentration (volume concentration) 1019c13) was used as a typical value, and the depth d of the channel consisting of two-dimensional electron gas or two-dimensional hole gas was 100 people. Furthermore, from Figure 6,
The electron mobility μ at this time. and the hole mobility μ, μ, = 1000cJ/VS, μp = 100
ci/V s and ivy. The value obtained from FIG. 7 was used as the saturation speed V of the rear and -'i-+ rear.

なお、第6図および第7図は、S、M、Sze、 Ph
ysics of Sem1conductor De
vices、 New York: Wiley、 1
981から抜粋したものである。
In addition, FIGS. 6 and 7 show S, M, Sze, Ph
ics of Sem1conductor De
Vices, New York: Wiley, 1
This is an excerpt from 981.

第7図にはGaAs中の正孔の飽和速度■5のデータは
示されていないが、GaAs l Siとの正孔の有効
質量を比べるとほとんど変わらないことおよび価電子帯
の形はSiもGaAsもほとんど変わらないことから、
GaAs中の正孔のV、はSi中の正孔のV、とほぼ等
しいと考えられる。従って、■、で見れば電子も正孔も
変わらないとみなせる。このことから、第5図Aおよび
第5図Bの計算ではV s =1 x 10’cm/s
ととった。
Figure 7 does not show data on the saturation velocity of holes in GaAs (5), but when comparing the effective mass of holes in GaAs l Si, there is almost no difference, and the shape of the valence band is similar to that in Si. Since GaAs is almost the same,
The V of holes in GaAs is considered to be approximately equal to the V of holes in Si. Therefore, if we look at ■, we can assume that electrons and holes are unchanged. From this, in the calculations in Figures 5A and 5B, V s =1 x 10'cm/s
I took it.

第5図Aおよび第5図Bかられかるように、L1=IX
lO’人では正孔を用いた場合のglは電子を用いた場
合のglの約1/10程度と小さいが、L、<1000
人では電子を用いた場合も正孔を用いた場合もg、はほ
ぼ同一の値となる。
As seen from Figures 5A and 5B, L1=IX
lO' In humans, gl when using holes is small, about 1/10 of gl when using electrons, but L, < 1000
In humans, g has almost the same value whether electrons or holes are used.

第5図Aおよび第5図Bにおいて、L、<1000人で
gいのり、依存性がなくなるのは、g6が(2)式の(
)内の第2項で決まること、すなわちg□が(4)式で
表されることに対応している。
In Figures 5A and 5B, when L<1000 people, the dependence disappears because g6 is (2) (
), that is, g□ is expressed by equation (4).

このようにglが(4)式で表される場合のFETの限
界周波数fは、ゲート電極とチャネルとの間の容量をC
gとすると εW、L、/d 正孔の移動度μ、のうちの最小値を用いる。すなわち、
μ*=min(μ7.μp)である。
In this way, the limit frequency f of the FET when gl is expressed by equation (4) is the capacitance between the gate electrode and the channel, C
Let g be the minimum value of εW, L, /d hole mobility μ. That is,
μ*=min(μ7.μp).

以上はGaAsを用いたFETについての議論であるが
、同様な議論は例えばStについても成立するものであ
る。
The above discussion has been about FETs using GaAs, but similar arguments can also be made about, for example, St.

本発明は、以上の検討に基づいて案出されたものである
The present invention has been devised based on the above considerations.

すなわち、本発明による電界効果トランジスタは、ゲー
ト長をLgとするとき、 で表される。(7)式より、■8が電子でも正孔でもほ
とんど同じであることから、電子を用いたFETも正孔
を用いたFETも■3で決まる理論的に最高の速度で動
作することがわかる。上述のg、のL9依存性がなくな
る条件は、(6)式と同様な次式で表される。
That is, the field effect transistor according to the present invention is expressed as follows, where Lg is the gate length. From equation (7), since ■8 is almost the same for electrons and holes, it can be seen that both FETs using electrons and FETs using holes operate at the theoretically highest speed determined by ■3. . The condition for eliminating the L9 dependence of g described above is expressed by the following equation, which is similar to equation (6).

ここで、μ*とじては、電子の移動度μ7およびである
Here, μ* is the electron mobility μ7 and.

また、本発明による半導体集積回路装置は、単一の半導
体基体上に異種極性および/または異種半導体により構
成された電界効果トランジスタが複数形成され、 電界効果トランジスタのゲート長をり、とするとき、 である。
Further, in the semiconductor integrated circuit device according to the present invention, when a plurality of field effect transistors each having a different polarity and/or made of different types of semiconductor are formed on a single semiconductor substrate, and the gate length of the field effect transistor is It is.

ここで、μ*は、異種半導体の種類をi=1.2、−・
・−1Nで表し、各半導体中の電子の移動度および正札
の移動度をそれぞれμ7′、μp′で表すと、g*= 
win (μll’、g、 ’、−−−−−−、p。
Here, μ* indicates the type of different semiconductor, i=1.2, -・
・If expressed as −1N, and the mobility of electrons in each semiconductor and the mobility of the genuine plate as μ7′ and μp′, then g*=
win (μll', g, ',------, p.

μD ’ + ’−−−−−−・、μfi’+  μ 
N)である。
μD' + '--------・, μfi'+ μ
N).

〔作用〕[Effect]

上述のように構成された本発明による電界効果トランジ
スタにおいては、ゲート長り、が(9)式のように選ば
れているので、トランスコンダクタンスg1はキャリア
の飽和速度で決まる最高の値となり、キャリアの移動度
にはよらない。従って、使用する半導体中のキャリアの
移動度によらず、理論的に最高の速度の超高速動作を実
現することができる。
In the field effect transistor according to the present invention configured as described above, the gate length is selected as shown in equation (9), so the transconductance g1 is the highest value determined by the carrier saturation speed, and the carrier does not depend on the mobility of Therefore, it is possible to achieve the theoretically highest ultra-high speed operation regardless of the carrier mobility in the semiconductor used.

また、上述のように構成された本発明による半導体集積
回路装置においては、電界効果トランジスタのゲート長
り、が(10)式のように選ばれているので、異種極性
および/または異種半導体により構成された電界効果ト
ランジスタのトランスコンダクタンスg1をキャリアの
飽和速度で決まる理論的に最高の値にそろえることがで
きる。これによって、各電界効果トランジスタの動作速
度をキャリアの移動度によらない理論的に最高の速度に
そろえることができる。また、各電界効果トランジスタ
を同一形状とすることができる。このため、この分だけ
高集積密度化を図ることができる。
Furthermore, in the semiconductor integrated circuit device according to the present invention configured as described above, since the gate length of the field effect transistor is selected as shown in equation (10), the device is configured with different polarities and/or different types of semiconductors. It is possible to adjust the transconductance g1 of the field effect transistor to the theoretical maximum value determined by the carrier saturation speed. As a result, the operating speeds of the field effect transistors can be made equal to the theoretical maximum speed independent of carrier mobility. Further, each field effect transistor can have the same shape. Therefore, higher integration density can be achieved by this amount.

〔実施例〕〔Example〕

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明
する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

実施■土 第1図Aおよび第1図Bは本発明の実施例Iによる51
M03FETを示す。
Figure 1A and Figure 1B are 51 according to Example I of the present invention.
M03FET is shown.

第1図Aおよび第1図Bに示すように、この実施例■に
よる51M03FETにおいては、例えばP型のSi基
板1の上に例えば膜厚が700人程変色Si0g膜のよ
うな絶縁膜2が形成されている。
As shown in FIGS. 1A and 1B, in the 51M03FET according to this embodiment (2), an insulating film 2 such as a discolored Si0g film with a film thickness of about 700 mm is formed on a P-type Si substrate 1, for example. It is formed.

この絶縁膜2には開口2aが形成されている。符号3は
例えば膜厚が30人程度のSiO□膜のようなゲート絶
縁膜を示す。符号4は例えばタングステン(W)のよう
な金属から成るゲート電極を示す。このゲート電極4の
幅、すなわちゲート長L9は、(9)式を満足する値に
選ばれている。具体的には、例えばり、=500人であ
る。また、上記開口2aの部分におけるSi基+&1中
には、ゲート電極4に対して自己整合的に例えばn゛型
のソース領域5およびドレイン領域6が形成されている
。これらのソース領域5およびドレイン領域6の上には
それぞれパッド電極7.8が形成されている。また、ゲ
ート電極4の一端にもパッド電極9が形成されている。
This insulating film 2 has an opening 2a formed therein. Reference numeral 3 indicates a gate insulating film such as a SiO□ film having a thickness of about 30 mm. Reference numeral 4 indicates a gate electrode made of metal such as tungsten (W). The width of this gate electrode 4, that is, the gate length L9, is selected to a value that satisfies equation (9). Specifically, for example, =500 people. Further, in the Si base +&1 in the opening 2a, for example, an n-type source region 5 and drain region 6 are formed in self-alignment with the gate electrode 4. Pad electrodes 7.8 are formed on these source regions 5 and drain regions 6, respectively. Further, a pad electrode 9 is also formed at one end of the gate electrode 4.

次に、上述のように構成された実施例■による51M0
3FETの製造方法の一例について説明する。
Next, 51M0 according to the embodiment
An example of a method for manufacturing a 3FET will be described.

第2図Aに示すように、まずp型Si基板1の全面に例
えば熱酸化法やCVD法により絶縁膜2を形成する。
As shown in FIG. 2A, first, an insulating film 2 is formed on the entire surface of a p-type Si substrate 1 by, for example, a thermal oxidation method or a CVD method.

次に第2図Bに示すように、この絶縁膜2の所定部分を
エツチング除去して開口2aを形成する。
Next, as shown in FIG. 2B, a predetermined portion of this insulating film 2 is removed by etching to form an opening 2a.

次に第2図Cに示すように、例えばCVD法により全面
に例えばSiO□膜のような絶縁膜3を形成した後、こ
の絶縁膜3の上に例えばスパッタ法や蒸着法により例え
ばWのような金属膜10を形成する。この後、図示省略
した電子ビーム照射装置の高真空に排気された試料室内
に例えばアルキルナフタレンのような原料ガスを導入し
、この試料室内においてこの原料ガス雰囲気中で上記金
属膜10にビーム径を細く絞った電子ビーム11を所定
パターンで照射する。この電子ビーム11の加速電圧は
例えば6kV程度であり、ビーム電流は例えば20μA
程度である。また、上記原料ガス雰囲気の圧力は例えば
10−S〜10−8Torrであり、標準的には10 
”7Torrである。この電子ビーム11の照射により
上記原料ガスが分解して炭化水素系の物質が上記金属膜
10の上に生成し、これによってこの炭化水素系の物質
から成る極微細幅のレジスト12が形成される。このレ
ジスト12は優れた耐ドライエツチング性を有する。
Next, as shown in FIG. 2C, an insulating film 3 such as a SiO□ film is formed on the entire surface by, for example, a CVD method, and then a film such as W, for example, is formed on this insulating film 3 by, for example, a sputtering method or a vapor deposition method. A metal film 10 is formed. Thereafter, a raw material gas such as alkylnaphthalene is introduced into a high vacuum evacuated sample chamber of an electron beam irradiation device (not shown), and the beam diameter is set on the metal film 10 in the raw material gas atmosphere in this sample chamber. A narrowly focused electron beam 11 is irradiated in a predetermined pattern. The acceleration voltage of this electron beam 11 is, for example, about 6 kV, and the beam current is, for example, 20 μA.
That's about it. Further, the pressure of the raw material gas atmosphere is, for example, 10-S to 10-8 Torr, and typically 10-S to 10-8 Torr.
7 Torr.The raw material gas is decomposed by the irradiation of the electron beam 11, and a hydrocarbon-based substance is generated on the metal film 10, thereby forming an ultra-fine resist made of this hydrocarbon-based substance. 12 is formed. This resist 12 has excellent dry etching resistance.

次に、このレジスト12をマスクとして上記金属膜10
および絶縁膜3を例えばCF a系のエツチングガスを
用いた反応性イオンエツチング(RIE)法により基板
表面と垂直方向に異方性エツチングして、第2図りに示
すように、(9)式を満足するゲート長り、を有する極
微細幅のゲート電極4を形成する。この後、レジスト1
2をエツチング除去する。
Next, using this resist 12 as a mask, the metal film 10 is
Then, the insulating film 3 is anisotropically etched in the direction perpendicular to the substrate surface by reactive ion etching (RIE) using, for example, a CFa-based etching gas, and as shown in the second diagram, equation (9) is obtained. A gate electrode 4 having an extremely fine width and a satisfactory gate length is formed. After this, resist 1
2 is removed by etching.

次に、例えばプラズマCVD法により全面に例えばリン
(P)のようなn型不純物の膜を形成した後、例えばX
eClエキシマ−レーザーによるパルスレーザ−ビーム
(波長308 nm)を全面に照射する。このパルスレ
ーザ−ビームの照射により半導体基板1の表面層が瞬間
的に高温に加熱され、その結果、上述のn型不純物の膜
が直接接している半導体基板1中にこのn型不純°物が
極めて浅く、しかも高濃度にドーピングされる。これに
よって、第2図已に示すように、深さが例えば100人
程変色極めて浅くかつ高不純物濃度のソース領域5およ
びドレイン領域6がゲート電極4に対して自己整合的に
形成される。なお、このような不純物ドーピング法は、
L I M P I D (Laser Induce
dMelting of Predeposited 
Impurity Doping )法と呼ばれている
ものである。また、これらのソース領域5およびドレイ
ン領域6は、上述のLIMPID法以外の方法、例えば
低エネルギーのイオン注入法により形成することも可能
である。
Next, after forming an n-type impurity film such as phosphorus (P) on the entire surface by, for example, plasma CVD method,
The entire surface is irradiated with a pulsed laser beam (wavelength 308 nm) from an eCl excimer laser. The surface layer of the semiconductor substrate 1 is instantaneously heated to a high temperature by the irradiation with this pulsed laser beam, and as a result, this n-type impurity is deposited in the semiconductor substrate 1 which is in direct contact with the above-mentioned n-type impurity film. It is extremely shallow and highly doped. As a result, as shown in FIG. 2, a source region 5 and a drain region 6 having a very shallow depth of, for example, 100 mm and having a high impurity concentration are formed in self-alignment with the gate electrode 4. Note that this impurity doping method is
L I M P I D (Laser Induce
dMelting of Predeposited
This is called the Impurity Doping method. Further, these source region 5 and drain region 6 can also be formed by a method other than the above-mentioned LIMPID method, for example, by a low energy ion implantation method.

この後、第1図Aおよび第1図Bに示すように、パッド
電極7.8.9を形成して目的とするStMO3FET
を完成させる。
After this, as shown in FIG. 1A and FIG. 1B, pad electrodes 7.8.9 are formed to form the desired StMO3FET.
complete.

この実施例■によれば、上述のようにゲート長L9が(
9)弐を満足するように選ばれているので、Si中のキ
ャリアの飽和速度■、で決まる理論的に最高のトランス
コンダクタンスg、を得ることができる。これによって
、電子の移動度がGaAsに比べて小さいSiを用いて
いるにもかかわらず、IT七程度の超高速動作を実現す
ることができ、HEMT以上の高性能の51M03FE
Tを実現することができる。
According to this embodiment (2), the gate length L9 is (
9) Since it is selected to satisfy (2), it is possible to obtain the theoretically highest transconductance (g) determined by the saturation velocity (2) of carriers in Si. As a result, even though Si is used, which has a lower electron mobility than GaAs, it is possible to achieve ultra-high-speed operation comparable to IT7, and 51M03FE with higher performance than HEMT.
T can be realized.

実射l汁■ 第8図Aおよび第8図Bは、本発明の実施例Hによる相
補型MO3FETを示す。
Figures 8A and 8B show a complementary MO3FET according to Example H of the present invention.

第8図Aおよび第8図Bに示すように、この実施例Hに
よる相補型MO3FETにおいては、例えばp型のSi
基板1上に実施例Iと同様な構成のnチャネルMO3F
ETQ、が形成されている。
As shown in FIGS. 8A and 8B, in the complementary MO3FET according to Example H, for example, p-type Si
On the substrate 1 is an n-channel MO3F having the same structure as in Example I.
ETQ is formed.

また、Si基板1中にはnウェル13が形成されている
。そして、絶縁膜2に形成された開口2bの部分におけ
るこのnウェル13に、例えばWのような金属から成る
ゲート電極14とこのゲート電極14に対して自己整合
的に形成されたソース領域15およびドレイン領域16
とから成るpチャネルM OS F E T Q zが
形成されている。符号17.18.19はパッド電極を
示す。これらのnチャネルM OS F E T Q 
+およびpチャネルMO3FETQ、により、相補型M
O3FETが構成される。第9図にこの相補型MOS 
F ETの等価回路を示す。なお、第9図において、V
DDは電源電圧、V inはゲート入力電圧、V ou
tは出力電圧である。
Further, an n-well 13 is formed in the Si substrate 1. In this n-well 13 at the opening 2b formed in the insulating film 2, a gate electrode 14 made of a metal such as W, a source region 15 formed in self-alignment with the gate electrode 14, and a drain region 16
A p-channel M OS FET Q z is formed. Reference numerals 17, 18, and 19 indicate pad electrodes. These n-channel MOS FET Q
+ and p-channel MO3FETQ, the complementary M
O3FET is configured. Figure 9 shows this complementary MOS
The equivalent circuit of FET is shown. In addition, in FIG. 9, V
DD is the power supply voltage, V in is the gate input voltage, V ou
t is the output voltage.

この実施例Hにおいては、nチャネルMO3FETQ、
のゲート長L onおよびpチャネルMO3FETQ2
のゲート長L 91Pは、いずれも(10)式を満足す
る同一の値に選ばれている。ただし、(10)式のμ*
は、p*−rsin Cun ”、  gp ”) −
usiを用いる。(10)式を満足するゲート長L 9
1’l、L−spO値は、具体的には例えば500人程
変色ある。また、nチャネルMO3FETQ+ のゲー
ト幅WgiおよびpチャネルMOSFETQ2のゲート
幅W。も同一の値に選ばれている。
In this Example H, an n-channel MO3FETQ,
gate length L on and p-channel MO3FETQ2
The gate length L 91P of both is selected to be the same value that satisfies equation (10). However, μ* in equation (10)
is p*-rsin Cun", gp") -
Use usi. Gate length L that satisfies formula (10) 9
1'l, L-spO value, specifically, for example, about 500 people have discoloration. Also, the gate width Wgi of the n-channel MO3FETQ+ and the gate width W of the p-channel MOSFETQ2. are also chosen to have the same value.

次に、上述のように構成されたこの実施例Hによる相補
型MOSFETの製造方法の一例について説明する。
Next, an example of a method for manufacturing the complementary MOSFET according to Example H configured as described above will be described.

第8図Aおよび第8図Bに示すように、まずSi基板1
に例えばイオン注入によりnウェル13を形成した後、
Si基板l上に絶縁膜2を形成する。
As shown in FIGS. 8A and 8B, first, the Si substrate 1
After forming the n-well 13 by, for example, ion implantation,
An insulating film 2 is formed on a Si substrate l.

次に、この絶縁膜2に開口2a、2bを形成する。Next, openings 2a and 2b are formed in this insulating film 2.

次に、全面にゲート絶縁膜3を形成した後、このゲート
絶縁膜3の上に例えばWのような金属膜を形成する。次
に、実施例Iと同様な方法でこれらの金属膜およびゲー
ト絶縁膜3を順次所定形状にパターンニングして極微細
幅のゲート電極4.14を形成する。次に、nウェル1
3の部分の表面をマスクで覆った状態で例えば実施例I
で述べたLIMPID法によりゲート電極4に対して自
己整合的に例えばn゛型のソース領域5およびドレイン
領域6を形成する。次に、例えばホウ素(B)のような
p型不純物を用いたLIMPID法によりゲート電極1
4に対して自己整合的に例えばP゛型のソース領域15
およびドレイン領域16を形成する。この後、パッド電
極7.8.9.17.18.19を形成して、目的とす
る相補型MO3FETを完成させる。
Next, after forming a gate insulating film 3 on the entire surface, a metal film such as W, for example, is formed on this gate insulating film 3. Next, in the same manner as in Example I, these metal films and gate insulating film 3 are sequentially patterned into a predetermined shape to form a gate electrode 4.14 having an extremely fine width. Next, n-well 1
For example, with the surface of the portion 3 covered with a mask, Example I
For example, an n-type source region 5 and drain region 6 are formed in self-alignment with the gate electrode 4 by the LIMPID method described above. Next, the gate electrode 1 is formed by the LIMPID method using a p-type impurity such as boron (B), for example.
For example, a P' type source region 15 is formed in a self-aligned manner with respect to 4.
and a drain region 16. Thereafter, pad electrodes 7,8,9,17,18,19 are formed to complete the intended complementary MO3FET.

この実施例■によれば、nチャネルMO3FETQ、の
ゲート長L anおよびPチャネルMO3FETQ2の
ゲート長L gpはいずれも(10)式を満足する値に
選ばれているので、これらのnチャネルMO3FETQ
、およびpチャネルMOS F ETQ2はいずれも飽
和速度v5で決まる理論的に最高のトランスコンダクタ
ンスg、を有する。従って、これらのnチャネルMO3
FETQ、およびpチャネルMO3FETQZはいずれ
も理論的に最高の速度で超高速動作をする。これによっ
て、超高速動作が可能な相補型MO3FETを実現する
ことができる。また、既に述べたように、従来は、相補
型MO3FETの高速化を図るためには、pチャネルM
OS F ETのゲート幅を大きくする必要があるため
、pチャネルMO3FETの形状はnチャネルMOS 
F ETに比べてかなり大きくならざるを得なかったが
、この実施例■によれば、pチャネルM OS F E
 T Q zのゲート幅をnチャネルMO3FETQI
のゲート幅と同一にすることができる。すなわち、pチ
ャネルMO3FETQ2をnチャネルMO3FETQ、
と同一形状にすることができる。これによって、相補型
MO3FETの集積密度の向上を図ることができる。
According to this embodiment (■), the gate length L an of the n-channel MO3FETQ and the gate length L gp of the P-channel MO3FET Q2 are both selected to satisfy equation (10), so that the gate length L an of the n-channel MO3FETQ
, and p-channel MOS FETQ2 both have the theoretically highest transconductance g, determined by the saturation speed v5. Therefore, these n-channel MO3
Both FETQ and p-channel MO3FETQZ operate at extremely high speeds at their theoretical maximum speeds. This makes it possible to realize a complementary MO3FET capable of extremely high-speed operation. In addition, as already mentioned, conventionally, in order to increase the speed of complementary MO3FET, p-channel M
Since it is necessary to increase the gate width of the OS FET, the shape of the p-channel MO3FET is different from that of the n-channel MOS.
Although it had to be considerably larger than the FET, according to this embodiment, the p-channel MOS FET
T Q z gate width n channel MO3FETQI
can be made the same as the gate width. That is, p-channel MO3FETQ2 is replaced with n-channel MO3FETQ,
It can be made into the same shape. This makes it possible to improve the integration density of complementary MO3FETs.

災施±1 第10図は本発明の実施例■を示す。この実施例■は、
GaAsを用いたFETにより構成される相補型FET
に本発明を適用した実施例である。
Disaster Management±1 FIG. 10 shows an embodiment (2) of the present invention. This example ■ is
Complementary FET composed of FETs using GaAs
This is an example in which the present invention is applied to.

第10図に示すように、この実施例■においては、半絶
縁性GaAs基板20上にアンドープのGaAs層21
.22が形成され、これらのGaAs層21.22の上
にそれぞれn型AIX Ga+−x As (0< x
 <1)層23およびn型A1. Ga+−x As層
24が形成されている。符号25.26はショットキー
ゲート電極、符号27.28はソース電極、符号29.
30はドレイン電極を示す。これらのGaAs層21、
n型へlつGa、−XAs層23、ショットキーゲート
電極25、ソース電極27およびドレイン電極29によ
り、電子を用いたn型のFET (HEMT)が構成さ
れている。このn型のFETは、n型へ1XGa、−X
As層23から供給される電子によりこのn型A1. 
Ga1−XAs層23との界面近傍のGaAs層21中
に形成される2次元電子ガス31をチャネルとして用い
る。一方、GaAs層22、P型AFXGa。
As shown in FIG. 10, in this embodiment
.. 22 are formed, and n-type AIX Ga+-x As (0< x
<1) Layer 23 and n-type A1. A Ga+-x As layer 24 is formed. 25.26 are Schottky gate electrodes, 27.28 are source electrodes, and 29.26 are Schottky gate electrodes.
30 indicates a drain electrode. These GaAs layers 21,
The n-type Ga, -XAs layer 23, the Schottky gate electrode 25, the source electrode 27, and the drain electrode 29 constitute an n-type FET (HEMT) using electrons. This n-type FET has 1XGa, -X to the n-type
Electrons supplied from the As layer 23 cause this n-type A1.
A two-dimensional electron gas 31 formed in the GaAs layer 21 near the interface with the Ga1-XAs layer 23 is used as a channel. On the other hand, the GaAs layer 22 is P-type AFXGa.

8へS層24、ショットキーゲート電極26、ソース電
極28およびドレイン電極30により、正孔を用いたp
型のFETが構成されている。このp型のFETは、p
型AIX Gap−、As層24から供給される正孔に
よりこのp型Al、1Gal−x As層24との界面
近傍のGaAs層22中に形成される2次元正孔ガス3
2をチャネルとして用いる。上述のn型FETとこのp
型FETとにより、第9図に示すと同様な相補型FET
が構成されている。
8, the S layer 24, Schottky gate electrode 26, source electrode 28, and drain electrode 30 provide p
A type FET is constructed. This p-type FET is p
A two-dimensional hole gas 3 formed in the GaAs layer 22 near the interface with the p-type Al, 1Gal-x As layer 24 by holes supplied from the As layer 24.
2 is used as the channel. The above n-type FET and this p
type FET, a complementary type FET similar to that shown in FIG.
is configured.

この実施例■においては、n型FETのゲート長し、、
、およびp型FETのゲート長しgいは、いずれも(1
0)式を満足する同一の値に選ばれている。
In this embodiment (■), the gate length of the n-type FET is
, and the gate length of the p-type FET are both (1
0) are selected to be the same value that satisfies the formula.

ただし、(10)式のμ*は、B * = min (
gn ””tt 、 G a A * ) −u 、 
G II A I  を用いる。
However, μ* in equation (10) is expressed as B* = min (
gn””tt, G a A *) −u,
G II A I is used.

次に、上述のように構成されたこの実施例■による相補
型FETの製造方法の一例について説明する。
Next, an example of a method for manufacturing the complementary FET according to the embodiment (2) constructed as described above will be described.

第1O図に示すように、まず半絶縁性GaAs基板20
の全面にアンドープのGaAs層21およびn型AIX
 Ga、−XAs層23を例えば分子線エピタキシー(
MBE)法や有機金属化学気相成長(MOCVD)法に
より順次形成する。次に、これらのn型AIX Ga+
−x八S層23およびGaAs層21の所定部分をエツ
チング除去した後、エツチングにより残されたn型A1
.tGa、□As層23の表面をマスクで覆い、この状
態でMBE法やMOCVD法により全面にアンドープの
GaAs層22およびn型A1. Ga、−8As層2
4を形成する。次に、これらのn型A1. Gaし、 
As層24およびGaAs層22の所定部分をエツチン
グ除去して第10図に示す形状とする。この後、ショッ
トキーゲート電極25.26、ソース電極27.28お
よびドレイン電極29.30を形成して目的とする相補
型FETを完成させる。
As shown in FIG. 1O, first, a semi-insulating GaAs substrate 20 is
undoped GaAs layer 21 and n-type AIX on the entire surface of
The Ga, -XAs layer 23 is formed by, for example, molecular beam epitaxy (
The layers are sequentially formed by MBE) or metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). Next, these n-type AIX Ga+
After etching and removing predetermined portions of the -x8S layer 23 and the GaAs layer 21, the n-type A1 remaining by etching is removed.
.. The surface of the tGa, □As layer 23 is covered with a mask, and in this state, the undoped GaAs layer 22 and the n-type A1. Ga, -8As layer 2
form 4. Next, these n-type A1. Ga,
Predetermined portions of the As layer 24 and the GaAs layer 22 are removed by etching to form the shape shown in FIG. Thereafter, Schottky gate electrodes 25, 26, source electrodes 27, 28, and drain electrodes 29, 30 are formed to complete the intended complementary FET.

この実施例■においては、n型FETのゲート長しg。In this embodiment (2), the gate length of the n-type FET is g.

およびp型FETのゲート長L 99はいずれも(10
)式を満足する値に選ばれているので、これらのn型F
ETおよびp型FETはいずれもGaAs中の電子また
は正孔の飽和速度■3で決まる理論的に最高のトランス
コンダクタンスgffiを有する。
and the gate length L 99 of the p-type FET is (10
), these n-type F
Both the ET and the p-type FET have a theoretically highest transconductance gffi determined by the saturation velocity of electrons or holes in GaAs.

従って、これらのn型FETおよびp型FETはいずれ
も理論的に最高の速度で超高速動作をする。
Therefore, both of these n-type FETs and p-type FETs operate at extremely high speeds at their theoretical maximum speeds.

これによって、実施例■と同様に、超高速動作が可能な
相補型FETを実現することができる。しかも、実施例
■と同様に、p型FETをn型FETと同一形状にする
ことができるので、その分だけ相補型FETの集積密度
の向上を図ることができる。
As a result, a complementary FET capable of ultra-high-speed operation can be realized as in the embodiment (2). Furthermore, as in the embodiment (2), since the p-type FET can have the same shape as the n-type FET, the integration density of the complementary FETs can be improved accordingly.

なお、この実施例■においては、2次元電子ガスまたは
2次元正孔ガスにより構成されるチャネルの深さdは、
ゲート長L gn、L、、の約1/3程度以下に選ばれ
ている。これは、チャネル深さdがゲート長L 91’
l、Llllの約1/3程度以上であると、FETがオ
フすべきときにチャネルが閉しなくなるためである。
In this Example 2, the depth d of the channel formed by the two-dimensional electron gas or the two-dimensional hole gas is:
The gate length L is selected to be about 1/3 or less of the gate length Lgn, L, . This means that the channel depth d is the gate length L 91'
This is because if it is about 1/3 or more of l, Lllll, the channel will not close when the FET should be turned off.

実画I津V 第11図は本発明の実施例■を示す。この実施例■は、
単一のSt基板上にSi系素子とGaAs系素子とを集
積した光電子集積回路(OEIC)に本発明を適用した
実施例である。
Actual drawing ItsuV FIG. 11 shows Embodiment 2 of the present invention. This example ■ is
This is an example in which the present invention is applied to an optoelectronic integrated circuit (OEIC) in which Si-based elements and GaAs-based elements are integrated on a single St substrate.

第11図に示すように、この実施例■による0EICに
おいては、Si基板1の一部にGaAs/AlGaAs
層33が形成されている。そして、Si基板1上には5
1M03FET回路34が形成され、GaAs/AlG
aAs層33にはGaAsFET回路35およびレーザ
ーダイオードアレイまたはフォトディテクターアレイ3
6が形成されている。符号37は配線を示す。
As shown in FIG. 11, in the 0EIC according to this embodiment (2), a part of the Si substrate 1 is made of GaAs/AlGaAs.
A layer 33 is formed. Then, on the Si substrate 1, there are 5
A 1M03FET circuit 34 is formed and GaAs/AlG
The aAs layer 33 includes a GaAsFET circuit 35 and a laser diode array or photodetector array 3.
6 is formed. Reference numeral 37 indicates wiring.

第12図はレーザーダイオードアレイの回路構成例を示
す。第12図において、符号LDはレーザーダイオード
、符号R2は抵抗、符号Q:lはノーマリ−オフのGa
AsFETを示す。レーザーダイオードLDは、例えば
GaAs / A lGaAs系ダブルへテロ接合レー
ザーである。また、GaAsFETQ、のゲートには、
51M03FET回路34を構成する51M03FET
から出力されるゲート電圧■。が印加される。GaAs
 F E T Qzのゲートへのゲート電圧■。の入力
とレーザーダイオードLDからのレーザー光出力りとの
関係を第13図に示す。次に、第14図はフォトディテ
クターアレイの回路構成例を示す。第14図において、
符号R2は抵抗、符号Q4はノーマリ−オフのGaAs
FET、符号りはフォトダイオードを示す。これらの抵
抗R2およびGaAs FETQ4から成るインバータ
の出力V outは、51M03FET回路34により
増幅される。符号R3は抵抗、符号Q、は51M03F
ET回路34の51M03FETを示す。フォトダイオ
ードDへのレーザー光人力L′とGaAs F E T
 Q4のゲートへのゲート電圧■。の入力と出力■。u
Lとの関係を第15図に示す。
FIG. 12 shows an example of the circuit configuration of a laser diode array. In FIG. 12, symbol LD is a laser diode, symbol R2 is a resistor, and symbol Q:l is a normally-off Ga
AsFET is shown. The laser diode LD is, for example, a GaAs/AlGaAs double heterojunction laser. In addition, the gate of GaAsFETQ,
51M03FET forming the 51M03FET circuit 34
Gate voltage output from■. is applied. GaAs
F E T Gate voltage to the gate of Qz■. FIG. 13 shows the relationship between the input and the laser light output from the laser diode LD. Next, FIG. 14 shows an example of the circuit configuration of the photodetector array. In Figure 14,
Symbol R2 is a resistor, and symbol Q4 is normally-off GaAs.
FET, the reference numeral indicates a photodiode. The output V out of the inverter consisting of these resistors R2 and GaAs FET Q4 is amplified by a 51M03 FET circuit 34. Symbol R3 is a resistor, symbol Q is 51M03F
51M03FET of ET circuit 34 is shown. Laser light power L' to photodiode D and GaAs FET
Gate voltage to the gate of Q4■. ■ Input and output. u
The relationship with L is shown in FIG.

この実施例■においては、51M03FET回路34を
構成する51M03FETのゲート長およびGaAsF
ET回路35を構成するGaAsFETのゲート長は、
(10)式を満足する値に選ばれている。この場合、(
10)式のμ*としては、Si MOSFETおよびG
aAsFETともにn型のものとp型のものとが存在す
るとすると、μ*=tsin(μ781.μ93L、μ
 GmAl、  μ GaAl )−μ。
In this embodiment (2), the gate length of the 51M03FET constituting the 51M03FET circuit 34 and the GaAsF
The gate length of the GaAsFET constituting the ET circuit 35 is:
The value is selected to satisfy equation (10). in this case,(
10) As μ* in the equation, Si MOSFET and G
Assuming that there are n-type and p-type aAsFETs, μ*=tsin(μ781.μ93L, μ
GmAl, μGaAl)-μ.

GmAlを用いる。GmAl is used.

この実施例■によれば、51M03FETもGaAsF
ETも飽和速度V、で決まる理論的に最高のトランスコ
ンダクタンスg1を有し、従ってこれらの51M03F
ETおよびGaAsFETは理論的に最高の速度で超高
速動作させることができる。
According to this example (■), the 51M03FET is also GaAsF
ET also has the theoretically highest transconductance g1 determined by the saturation speed V, and therefore these 51M03F
ETs and GaAsFETs can theoretically be operated at very high speeds.

しかも、これらの51M03FETおよびGaAsFE
Tはいずれも同一形状とすることができるので、高集積
密度の0EICを実現することができる。
Moreover, these 51M03FET and GaAsFE
Since all Ts can have the same shape, an 0EIC with high integration density can be realized.

以上、本発明の実施例につき具体的に説明したが、本発
明は、上述の実施例に限定されるものではなく、本発明
の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
Although the embodiments of the present invention have been specifically described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made based on the technical idea of the present invention.

例えば、本発明は、StやGaAs以外の半導体(例え
ば、ゲルマニウム(Ge) ’)を用いたFETにも適
用することが可能である。また、本発明は、例えばGa
Asを用いたショットキーゲート型FET。
For example, the present invention can also be applied to FETs using semiconductors other than St and GaAs (eg, germanium (Ge)'). Further, the present invention also provides, for example, Ga
Schottky gate type FET using As.

すなわちGaAsMESFETにも適用することができ
る。この場合、既に述べたようにチャネル深さdをゲー
ト長の約1/3以下程度にする必要がある。例えば、ゲ
ート長が1000人程度7あるとすると、チャネル深さ
dは約300変色度にする必要がある。ゲート長が50
0人程変色下の場合には、チャネル深さdは約150変
色度以下にしなければならない。このような場合には、
δドープ層を用いる必要がある。第16図はその例を示
す。この第16図においては、半絶縁性GaAs層20
の上に形成されたアンドープのGaAs層21の表面か
ら深さd、 、d、の所にδドープ層38.39が形成
されている。d、、d2は、具体的には例えばそれぞれ
10人、30人である。この場合、δドープ層38は、
GaAs層21の表面に電子を供給するためのものであ
る。一方、δドープ層39の所に形成される2次元電子
ガスによりチャネルが構成される。なお、第16図にお
いて、符号40はショットキーゲート電極、符号41.
42はそれぞれソース電極およびドレイン電極を示す。
That is, it can also be applied to GaAs MESFETs. In this case, as already mentioned, the channel depth d needs to be about 1/3 or less of the gate length. For example, if the gate length is about 1000 7, the channel depth d needs to be about 300 degrees of color change. Gate length is 50
For cases below 0 degrees of color change, the channel depth d should be less than about 150 degrees of color change. In such a case,
It is necessary to use a δ-doped layer. FIG. 16 shows an example. In this FIG. 16, a semi-insulating GaAs layer 20
δ-doped layers 38 and 39 are formed at depths d, , and d from the surface of the undoped GaAs layer 21 formed thereon. Specifically, d, d2 are, for example, 10 people and 30 people, respectively. In this case, the δ-doped layer 38 is
This is for supplying electrons to the surface of the GaAs layer 21. On the other hand, a two-dimensional electron gas formed in the δ-doped layer 39 forms a channel. In FIG. 16, reference numeral 40 indicates a Schottky gate electrode, and reference numeral 41.
42 indicate a source electrode and a drain electrode, respectively.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上述べたように、本発明による電界効果トランジスタ
によれば、使用する半導体中のキャリアの移動度によら
ず、理論的に最高の速度の超高速動作を実現することが
できる。
As described above, according to the field effect transistor according to the present invention, it is possible to realize ultrahigh-speed operation at the theoretically highest speed, regardless of the mobility of carriers in the semiconductor used.

、また、本発明による半導体集積回路装置によれば、異
種極性および/または異種半導体により構成された電界
効果トランジスタの動作速度をキャリアの移動度によら
ない理論的に最高の速度にそろえることができ、しかも
各電界効果トランジスタを同一形状とすることができる
Further, according to the semiconductor integrated circuit device of the present invention, the operating speeds of field effect transistors configured with different polarities and/or different types of semiconductors can be made to be the theoretically highest speed independent of carrier mobility. Moreover, each field effect transistor can have the same shape.

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

第1図Aは本発明の実施例■による51M03FETを
示す平面図、第1図Bは第1図AのXX線に沿っての断
面図、第2図A〜第2図Eは第1図Aおよび第1図Bに
示す51M03FETの製造方法の一例を工程順に示す
断面図、第3図はトランスコンダクタンスの計算に用い
たモデルを示す斜視図、第4図A〜第4図りは種々の条
件に対して計算により求めたトランスコンダクタンスと
ゲート長との関係を示すグラフ、第5図Aはδドープ層
から発生される電子を用いるGaAs系FETのトラン
スコンダクタンスとゲート長との関係を示すグラフ、第
5図Bはδドープ層から発生される正孔を用いるGaA
s系FETのトランスコンダクタンスとゲート長との関
係を示すグラフ、第6図はGaAs中のキャリアの移動
度と不純物濃度との関係を示すグラフ、第7図はキャリ
アのドリフト速度と電界との関係を示すグラフ、第8図
Aは本発明の実施例■による相補型FETを示す平面図
、第8図Bは第8図AのY−Y線に沿っての断面図、第
9図は第8図Aおよび第8図Bに示す相補型FETの等
価回路を示す回路図、第10図は本発明の実施例■によ
る相補型FETを示す断面図、第11図は本発明の実施
例■による0EICを示す斜視図、第12図は第11図
に示す0EICのレーザーダイオード系回路の構成例を
示す回路図、第13図は第12図に示すレーザーダイオ
ード系回路におけるゲート入力とレーザー光出力との関
係を示す波形図、第14図は第11図に示す0EICの
フォトディテクター系回路の構成例を示す回路図、第1
5図は第14図に示すフォトディテクター系回路におけ
るレーザー光人力とゲート人力と出力との関係を示す波
形図、第16図は本発明の詳細な説明するための断面図
を示す。 図面における主要な符号の説明 1:Si基板、  4.14:ゲート電極、  25.
26:ショットキーゲート電極、 5.15:ソース領
域、  6.16:ドレイン領域。 11′j子ヒ例工によ551M05FET第1図A a
FIG. 1A is a plan view showing a 51M03FET according to Example 1 of the present invention, FIG. 1B is a sectional view taken along the XX line of FIG. 1A, and FIGS. 2A to 2E are the views shown in FIG. A and FIG. 1B are cross-sectional views showing an example of the manufacturing method of the 51M03FET in the order of steps, FIG. 3 is a perspective view showing the model used to calculate transconductance, and FIGS. 4A to 4 are diagrams showing various conditions. FIG. 5A is a graph showing the relationship between the transconductance and gate length of a GaAs-based FET that uses electrons generated from the δ-doped layer. Figure 5B shows GaA using holes generated from the δ-doped layer.
A graph showing the relationship between transconductance and gate length of an s-based FET. Figure 6 is a graph showing the relationship between carrier mobility in GaAs and impurity concentration. Figure 7 is a graph showing the relationship between carrier drift velocity and electric field. FIG. 8A is a plan view showing a complementary FET according to Example 2 of the present invention, FIG. 8B is a cross-sectional view taken along the Y-Y line of FIG. 8A, and FIG. A circuit diagram showing an equivalent circuit of the complementary FET shown in FIGS. 8A and 8B, FIG. 10 is a sectional view showing a complementary FET according to the embodiment (2) of the present invention, and FIG. 11 is a circuit diagram showing the complementary FET according to the embodiment (2) of the present invention. Fig. 12 is a circuit diagram showing an example of the configuration of the laser diode circuit of the 0EIC shown in Fig. 11, and Fig. 13 shows the gate input and laser light output in the laser diode circuit shown in Fig. 12. 14 is a circuit diagram showing an example of the configuration of the photodetector system circuit of the 0EIC shown in FIG.
FIG. 5 is a waveform diagram showing the relationship between laser beam power, gate power, and output in the photodetector circuit shown in FIG. 14, and FIG. 16 is a sectional view for explaining the present invention in detail. Explanation of main symbols in the drawings 1: Si substrate, 4.14: Gate electrode, 25.
26: Schottky gate electrode, 5.15: source region, 6.16: drain region. 11'j 551M05FET Figure 1A a

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、ゲート長をL_9とするとき、 L_9<qμn_sd/εV_s ただし、qは単位電荷、μはキャリアの 移動度、n_sはチャネルを構成する2次 元キャリアガスの濃度、dはチャネル深 さ、εは半導体の誘電率、V_sはキャリ アの飽和速度 であることを特徴とする電界効果トランジスタ。 2、単一の半導体基体上に異種極性および/または異種
半導体により構成された電界効果トランジスタが複数形
成され、上記電界効果トランジスタのゲート長をL_9
とするとき、 L_9<qμ*n_sd/εV_s ただし、qは単位電荷、μ*はキャリア の移動度のうちの最小値、n_sはチャネ ルを構成する2次元キャリアガスの濃度、 dはチャネル深さ、εは半導体の誘電率、 V_sはキャリアの飽和速度 であることを特徴とする半導体集積回路装置。
[Claims] 1. When the gate length is L_9, L_9<qμn_sd/εV_s where q is unit charge, μ is carrier mobility, n_s is the concentration of two-dimensional carrier gas constituting the channel, and d is A field effect transistor characterized in that the channel depth, ε is the dielectric constant of the semiconductor, and V_s is the saturation velocity of carriers. 2. A plurality of field effect transistors made of different polarities and/or different types of semiconductors are formed on a single semiconductor substrate, and the gate length of the field effect transistor is set to L_9.
When, L_9<qμ*n_sd/εV_s where q is the unit charge, μ* is the minimum value of carrier mobility, n_s is the concentration of the two-dimensional carrier gas constituting the channel, d is the channel depth, A semiconductor integrated circuit device characterized in that ε is a dielectric constant of a semiconductor, and V_s is a saturation velocity of carriers.
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