JPH03200340A - Field effect transistor - Google Patents
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
この発明は、集積回路(IC)や大規模集積回路(LS
I)の構成素子として用いられる電界効果トランジスタ
(FET)に関し、特に、格子不整合のあるチャネル層
を有する選択ドープFETに関するものである。[Detailed Description of the Invention] [Field of Industrial Application] This invention is applicable to integrated circuits (IC) and large-scale integrated circuits (LS).
Field-effect transistors (FETs) used as components of I), in particular selectively doped FETs with a channel layer with lattice mismatch.
従来ICやLSIに用いられるFETにおいて、高速動
作を得るために、InGaAs混晶x 混晶 1−
x
をチャネル層とする選択ドープFETが提案されている
が、−層高速の動作を実現するために、In Ga
As混晶の組成を、本来1nP基x l
−x
板に対して格子整合する条件であるx−0,53から、
よりInの多い(Inリッチ(rich)な)組成にず
らし、その電子移動度および電子の飽和速度を大きくす
る試みがなされている(例えばジャーナル オブ クリ
スタル グロース(Journal of’ Crys
tal Growth ) 、 95巻189頁、19
89年)。Conventionally, in FETs used in ICs and LSIs, InGaAs mixed crystal x mixed crystal 1-
A selectively doped FET with x as the channel layer has been proposed, but in order to achieve high-speed operation in the − layer, InGa
The composition of the As mixed crystal is originally 1nP group x l
-x From x-0,53, which is the condition for lattice matching to the plate,
Attempts have been made to increase the electron mobility and saturation velocity of electrons by shifting the composition to a higher In content (for example, Journal of'Crystal Growth).
tal Growth), vol. 95, p. 189, 19
1989).
第2図に、そのような構造の一例を示す。同図において
、InP基板1の上に、InPに対して格子整合するI
nAlAsからなるバッファ層2、InGaAsからな
るチャネル層3ならびx l−X
+: S tをドープしたInAllAs層4A、アン
ドープInANAs層4BおよびSlをドープしたIn
GaAs層4Cからなるキャップ層4が形成されている
。FIG. 2 shows an example of such a structure. In the same figure, an I
Buffer layer 2 made of nAlAs, channel layer 3 made of InGaAs, and x l-X +: InAllAs layer 4A doped with St, undoped InANAs layer 4B, and In doped with Sl.
A cap layer 4 made of a GaAs layer 4C is formed.
ところが、このように例えばIn Ga1−1As混
晶でIn組成Xを0.53より大きくしたチャネル層を
用いた場合、AfI InO,480,52
Asバッファ層2(これはInP基板1に対して格子整
合している)に対する格子不整合が、In組成が大きく
なるに従って大きくなる。このため、良好な電気的特性
を得るためには、チャネル層の厚みを、結晶格子が弾性
限界内で変形1、ミスフィツト転位が発生しない程度の
薄さ(X −0,75では約150A以下)に抑える必
要がある。However, when using a channel layer made of InGa1-1As mixed crystal and having an In composition As the In composition increases, the lattice mismatch with respect to (matched) increases. Therefore, in order to obtain good electrical characteristics, the thickness of the channel layer must be set to such a level that the crystal lattice is deformed within the elastic limit and that misfit dislocations do not occur (approximately 150 A or less at X -0,75). It is necessary to keep it to
しかし、チャネル層3をそのように薄くすると、チャネ
ル層3とバッファ層2およびチャネル層3とキャップ層
4との界面における原子層レベルの凹凸がFETの電気
的特性に対して及ぼす影響を無視できなくなる。すなわ
ち、チャネル層2が薄くなるに従い、チャネル層2を走
行する電子が界面の凹凸に基くポテンシャルの乱れを感
じ、FETの電気的特性、特に電子移動度が低下する。However, when the channel layer 3 is made so thin, the influence of unevenness at the atomic layer level at the interfaces between the channel layer 3 and the buffer layer 2 and between the channel layer 3 and the cap layer 4 on the electrical characteristics of the FET can be ignored. It disappears. That is, as the channel layer 2 becomes thinner, electrons traveling through the channel layer 2 experience potential disturbance due to the unevenness of the interface, and the electrical characteristics of the FET, particularly the electron mobility, deteriorate.
この発明は、バッファ層と混晶半導体からなるチャネル
層(第1のチャネル層)との間に、バッファ層に接する
部分ではバッファ層にほぼ格子整合し、第1のチャネル
層に接する部分では、第1のチャネル層にほぼ格子整合
するように組成を徐々に変化させた混晶半導体からなる
第2のチャネル層を介在させたものである。この組成の
変化は、段階状であっても連続(傾斜)的であってもよ
い。In this invention, between a buffer layer and a channel layer (first channel layer) made of a mixed crystal semiconductor, the portion in contact with the buffer layer is substantially lattice matched to the buffer layer, and the portion in contact with the first channel layer is A second channel layer made of a mixed crystal semiconductor whose composition is gradually changed so as to be substantially lattice-matched to the first channel layer is interposed therebetween. This change in composition may be stepwise or continuous (gradient).
なお、バッファ層および第1のチャネル層に対する第2
のチャネル層の格子整合Δa / aは0.5%以下で
あることが望ましい。Note that the buffer layer and the second channel layer are
The lattice matching Δa/a of the channel layer is preferably 0.5% or less.
第1のチャネル層としてバッファ層に対する格子整合性
が悪<、シたがってミスフィツト転位の発生を防止する
ために極めて薄い層厚しかとれない材料を用いた場合で
も、第2のチャネル層を用いることにより、格子不整合
による影響を抑制しつつ、チャネル層全体としての厚み
を大きくとれる。Even if the first channel layer is made of a material that has poor lattice matching with the buffer layer, and therefore can only be made extremely thin to prevent the occurrence of misfit dislocations, the second channel layer cannot be used. Therefore, the thickness of the entire channel layer can be increased while suppressing the influence of lattice mismatch.
例えばA II o 、 481 n o 、 52A
Sバッファ層上にIn Ga As混晶チャネ
ル層を形成する場x 1−x
合、上述したようにx−0,75の層は150八程度が
限界であるが、よりInの少ない層はもう少し積むこと
ができる。そこで、Inがより少なめでAl7 1
n Asバッファ層によく格子0.48 0.
52
整合する組成から、Inが多い第1のチャネル層に近い
組成まで、格子不整合が問題とならないように組成を徐
々にずらした第2のチャネル層を入れる。このとき、第
1のチャネル層よりは少ないとしても、第2のチャネル
層も電子の走行に寄与し、第1および第2のチャネル層
を併せたものが実効的なチャネル層として機能する。For example, A II o, 481 no, 52A
When forming an In Ga As mixed crystal channel layer on the S buffer layer, the maximum layer x 1-x is about 1508 as mentioned above, but the layer with less In is a little more. It can be loaded. Therefore, with less In, Al7 1
n As buffer layer well lattice 0.48 0.
52. Insert a second channel layer whose composition is gradually shifted from a matching composition to a composition close to the first channel layer containing a large amount of In so that lattice mismatch does not become a problem. At this time, the second channel layer also contributes to the movement of electrons, although less than the first channel layer, and the first and second channel layers combined function as an effective channel layer.
このようにチャネル層全体としての厚みが大きくなる結
果、界面の凹凸に基くポテンシャルの乱れを総体として
感じにくくなる。As a result of the increased thickness of the channel layer as a whole, it becomes difficult to perceive disturbances in the potential due to the unevenness of the interface as a whole.
以下、添付図面の第1図(a)、(b)を参照してこの
発明の一実施例を説明する。Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1(a) and 1(b) of the accompanying drawings.
同図(a)は本実施例のFETの概略構造を示す断面図
である。なお、各部のスケールは正確なものではない。FIG. 5A is a cross-sectional view showing the schematic structure of the FET of this example. Note that the scale of each part is not accurate.
同図において、半絶縁性の半導体基板11の上に、バッ
ファ層12を介して第2のチャネル層13および第1の
チャネル層14ならびにキャブ層15を分子線エピタキ
シャル成長法により順次積層し、その上にショットキー
ゲート電極16ならびにこれと離してソース電極17お
よびドレイン電極18を形成しである。In the figure, a second channel layer 13, a first channel layer 14, and a cab layer 15 are sequentially stacked on a semi-insulating semiconductor substrate 11 via a buffer layer 12 by molecular beam epitaxial growth. A Schottky gate electrode 16 and a source electrode 17 and a drain electrode 18 are formed separately therefrom.
基板11は、鉄(Fe )をドープしたInPからなる
。バッファ層12は、基板11の表面の結晶性が悪かっ
たり不純物が多かったりしても、その悪影響がチャネル
層に直接及ばないようにするもので、InP基板に対し
て格子整合するAN 1 n As混晶を〜0
.3μmの厚さ0.48 0.52
に形成しである。The substrate 11 is made of InP doped with iron (Fe 2 ). The buffer layer 12 is made of AN 1 n As, which is lattice matched to the InP substrate, to prevent the adverse effects from directly affecting the channel layer even if the surface of the substrate 11 has poor crystallinity or has many impurities. ~0 mixed crystal
.. It is formed to have a thickness of 0.48 to 0.52 and a thickness of 3 μm.
第1のチャネル層14は、In組成の大きい0.75
Q、25As混晶からなり、その厚さは、In
Ga
キャップ層15に対する格子不整合によるミスフィツト
転位が生じない範囲である150Aに抑えである。これ
に対し第2のチャネル層13は、I n Ga
Asからなる厚さ200Aの下0.53 0.47
層13A、In Ga Asからなる厚さ0.
60 0.40
200Aの中層13BおよびIn GaO,880
,32
Asからなる上層13Cの3層によって構成される。下
層13Aの1n Ga ASはバッフ0.53
0.47
0.48 0.52Asに対して格子整ア層12のA
jl In
合し、またこの下層13AのIn GaO,530
,47
Asに対し、中層13BのI n Ga As
O,600,40
の格子不整合はほとんど問題にならない。同様に上層1
3CのI n Ga Asは、中層130.8
8 0.32
BのIn ’Ga Asに対して格子不整合は
0.60 0.40
はとんど問題にならず、また第1のチャネル層14のI
n Ga ASにもほぼ格子整合し、0.75
0.25
この第2のチャネル層13は、バッファ層12と第1の
チャネル層14との格子不整合を緩和するステップグレ
ーデッド(graded)チャネル層となっている。The first channel layer 14 has a large In composition of 0.75
Q, is made of 25As mixed crystal, and its thickness is In
It is limited to 150 A, which is a range in which misfit dislocation due to lattice mismatch with the Ga cap layer 15 does not occur. On the other hand, the second channel layer 13 is made of InGa
0.53 0.47 layer 13A below the 200A thick layer made of As, and 0.53 0.47 layer 13A made of In Ga As.
60 0.40 200A middle layer 13B and In GaO, 880
, 32 As, the upper layer 13C is composed of three layers. 1n Ga AS in lower layer 13A has a buffer of 0.53
0.47 0.48 0.52A of lattice alignment layer 12 for As
jl In and also this lower layer 13A In GaO, 530
, 47 As, In Ga As of the middle layer 13B
The lattice mismatch of O,600,40 is hardly a problem. Similarly, upper layer 1
3C In Ga As has a middle layer of 130.8
The lattice mismatch of 0.60 0.40 for In'GaAs of 8 0.32 B is rarely a problem, and the I of the first channel layer 14 is
Almost lattice matched to n Ga AS, 0.75
0.25 The second channel layer 13 is a step-graded channel layer that alleviates the lattice mismatch between the buffer layer 12 and the first channel layer 14.
さらにキャップ層15は、電子供給層として作用するも
のであるが、チャネル層部分に形成されるポテンシャル
井戸の深さを十分に確保するため、第1のチャネル層1
4より電子親和力の小さい材料が用いられる。本実施例
ではこのキャップ層15が、厚さ2OAのアンドープA
RO,48In Asからなるスペーサ層15A5
ドナー0.52
不純物としてSlをn−2X1018(至)−3の濃度
にドープした厚さ300AのAΩ An AsO
,480,52
からなる実際の電子供給層15Bおよびショットキーゲ
ート電極16との間に十分な障壁高さ(バリアハイド)
を確保するための、厚さ200AのアンドープAI
I n Asからなるバリア0.48 0.5
2
層15Cによって構成されている。Furthermore, the cap layer 15 acts as an electron supply layer, but in order to ensure a sufficient depth of the potential well formed in the channel layer portion, the cap layer 15 is
A material with an electron affinity smaller than that of No. 4 is used. In this embodiment, the cap layer 15 is an undoped A layer with a thickness of 2OA.
Spacer layer 15A5 made of RO, 48In As
Donor 0.52 AΩ An AsO with a thickness of 300A doped with Sl as an impurity to a concentration of n-2X1018 (to)-3
, 480, 52 between the actual electron supply layer 15B and the Schottky gate electrode 16 (barrier hide).
200A thick undoped AI to ensure
Barrier made of I n As 0.48 0.5
It is composed of two layers 15C.
ショットキーゲート電極16はチタン(TI)/白金(
Pt ) /金(Au )により、またソースおよびド
レイン電極17.18は金・ゲルマニウム合金(Au
Ge ) /ニッケル(N1 ) /金(Au )によ
り形成し、400℃1分間の合金化熱処理を行っている
。The Schottky gate electrode 16 is made of titanium (TI)/platinum (
Pt)/gold (Au), and the source and drain electrodes 17 and 18 are made of gold-germanium alloy (Au).
It is made of Ge )/nickel (N1)/gold (Au) and subjected to alloying heat treatment at 400° C. for 1 minute.
第1図(b)に、本実施例のFETのエネルギーバンド
図を示す。FIG. 1(b) shows an energy band diagram of the FET of this example.
比較のため、本実施例の構成から第2のチャネル層13
を除去したFETを作製したところ、電子移動度は約7
000cd/V−s程度であった。For comparison, the second channel layer 13 from the configuration of this example
When we fabricated an FET with this removed, the electron mobility was approximately 7.
It was about 000 cd/V-s.
これに対し本実施例では約90000−/v−8程度の
値が得られ、第2のチャネル層13を導入して実効的な
チャネル層の厚さを大きくとった効果が顕著に現われて
いる。On the other hand, in this example, a value of about 90000-/v-8 was obtained, and the effect of increasing the effective thickness of the channel layer by introducing the second channel layer 13 is clearly visible. .
なお、この発明は上記実施例に限定されるものではなく
、種々の変形が可能である。まず、第2のチャネル層1
3は、上述した3層構造に限らず、平均組成を段階状も
しくは連続的にさまざまに変化させることが可能である
。Note that this invention is not limited to the above embodiments, and various modifications are possible. First, the second channel layer 1
3 is not limited to the above-mentioned three-layer structure, and the average composition can be varied stepwise or continuously.
また、第1のチャネル層14は” n(1,75Ga
Asに限定されるものではなく、さまざ0.25
まな組成のIn Ga As(0<x≦1)をx
l−x
利用することができる。いずれの場合も、バッファ層1
2に対して格子不整合があれば、この発明の第2のチャ
ネル層導入による効果が得られる。Further, the first channel layer 14 is made of "n(1,75Ga
InGaAs (0<x≦1) with various compositions as small as 0.25 x
l-x can be used. In either case, the buffer layer 1
If there is a lattice mismatch with respect to 2, the effect of introducing the second channel layer of the present invention can be obtained.
キャップ層15も、All In As混晶1
−x x
(0≦X≦1)に限らず、例えばAj7 Ga1−
x x
As混晶(0≦X≦1)などを用いてもよい。The cap layer 15 is also made of All In As mixed crystal 1
-x x (0≦X≦1), for example, Aj7 Ga1-
x x As mixed crystal (0≦X≦1) or the like may be used.
また各層の形成方法も分子線エピタキシャル成長法に限
らず、有機金属気相成長法、気相エピタキシャル成長法
あるいは液相エピタキシャル成長法等の利用が可能であ
る。さらに各層の不純物濃度や厚さについても、この発
明の主旨を変更しない範囲内において種々の変更が可能
である。電極材料が上記実施例に限定されないことも、
もちろんである。Furthermore, the method for forming each layer is not limited to the molecular beam epitaxial growth method, and metal organic vapor phase epitaxy, vapor phase epitaxial growth, liquid phase epitaxial growth, and the like can be used. Furthermore, various changes can be made to the impurity concentration and thickness of each layer without departing from the spirit of the invention. Also, the electrode material is not limited to the above examples.
Of course.
以上、InP基板上にInGaAsからx l−x
なるチャネル層を有するFETを形成する場合を例に説
明したが、この発明はこれに限定されるものではなく、
他の半絶縁性もしくは絶縁性基板上に他の混晶半導体か
らなるチャネル層を有するFETを形成する場合にも適
用することができる。The above description has been made using an example in which a FET having a channel layer of x l-x made of InGaAs is formed on an InP substrate, but the present invention is not limited to this.
The present invention can also be applied to the case of forming an FET having a channel layer made of another mixed crystal semiconductor on another semi-insulating or insulating substrate.
以上のようにこの発明は、バッファ層とチャネル層(第
1のチャネル層)との間に、格子不整合が問題とならな
いように組成を徐々に変化させた第2のチャネル層を介
在させたことにより、格子不整合による影響を抑制しつ
つ、実効的なチャネル層の厚みを大きくとれる。したが
って第1のチャネル層として、本来格子不整合のためき
わめて薄くしか形成できないような材料を用いても、界
面の凹凸による電子移動度の低下を回避できる。As described above, in this invention, a second channel layer whose composition is gradually changed so that lattice mismatch does not become a problem is interposed between a buffer layer and a channel layer (first channel layer). This allows the effective thickness of the channel layer to be increased while suppressing the effects of lattice mismatch. Therefore, even if a material that can only be formed extremely thin due to lattice mismatch is used as the first channel layer, a decrease in electron mobility due to the unevenness of the interface can be avoided.
これにより、第1のチャネル層として、基板(およびそ
れに格子整合したバッファ層)に対する格子不整合、な
いしその対策としての薄膜化に伴う影響によって制約さ
れることなく、電子移動度および電子の飽和速度の大き
い材料を用いることが可能となり、−層高速のFETを
実現できる効果を有する。As a result, as the first channel layer, the electron mobility and saturation speed of This makes it possible to use a material with a large value, and has the effect of realizing a high-speed FET.
第1図(a)この発明の一実施例を示す断面図、同図(
b)はそのエネルギーバンド図、第2図は従来例を示す
断面図である。
11・・・半導体基板、12・・・バッファ層、13・
・・第2のチャネル層、14・・・第1のチャネル層、
15・・・キャップ層、16・・・ショットキーゲート
電極、17.18・・・ソース・トレーン電極。FIG. 1(a) is a sectional view showing an embodiment of the present invention;
b) is its energy band diagram, and FIG. 2 is a sectional view showing a conventional example. 11... Semiconductor substrate, 12... Buffer layer, 13.
... second channel layer, 14... first channel layer,
15... Cap layer, 16... Schottky gate electrode, 17.18... Source/train electrode.
Claims (1)
て混晶半導体からなるチャネル層およびこのチャネル層
より電子親和力の小さい半導体材料からなり、ドナー不
純物を含有するキャップ層を形成し、その上にショット
キーゲート電極およびソース・トレー電極を配置してな
る選択ドープ電界効果トランジスタにおいて、バッファ
層とチャネル層との間に、バッファ層に接する部分では
バッファ層にほぼ格子整合し、かつチャネル層に接する
部分ではチャネル層にほぼ格子整合するように、組成を
徐々に変化させた混晶半導体からなる第2のチャネル層
を介在させたことを特徴とする電界効果トランジスタ。A channel layer made of a mixed crystal semiconductor and a cap layer made of a semiconductor material having a lower electron affinity than this channel layer and containing donor impurities are formed on a semi-insulating or insulating substrate via a buffer layer, and then In a selectively doped field effect transistor in which a Schottky gate electrode and a source/tray electrode are arranged in 1. A field effect transistor characterized in that a second channel layer made of a mixed crystal semiconductor whose composition is gradually changed so as to substantially lattice match the channel layer in the contacting portion thereof.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP34414389A JPH03200340A (en) | 1989-12-27 | 1989-12-27 | Field effect transistor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP34414389A JPH03200340A (en) | 1989-12-27 | 1989-12-27 | Field effect transistor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH03200340A true JPH03200340A (en) | 1991-09-02 |
Family
ID=18366973
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP34414389A Pending JPH03200340A (en) | 1989-12-27 | 1989-12-27 | Field effect transistor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH03200340A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2019033122A (en) * | 2017-08-04 | 2019-02-28 | 富士通株式会社 | Compound semiconductor device, manufacturing method of compound semiconductor device, power supply device, and high frequency amplifier |
-
1989
- 1989-12-27 JP JP34414389A patent/JPH03200340A/en active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2019033122A (en) * | 2017-08-04 | 2019-02-28 | 富士通株式会社 | Compound semiconductor device, manufacturing method of compound semiconductor device, power supply device, and high frequency amplifier |
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