JPH03227533A - 半導体装置 - 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〕 本発明は化合物半導体ヘテロ接合構造を用いた電界効果
トランジスタに関するものである。

〔従来の技術〕

ペテロ接合半導体層間において、電子親和力（Ｅｌｅｃ
ｔｒｏｎ　Ａｆｆｉｎｉｔｙ　）の小さい半導体層内の
電子が、電子親和力の大きい半導体層へ移動し、ペテロ
接合界面近傍に電子蓄積層（２次元電子ガス）を形成す
る。

この２次元電子ガスを電流チャネルとし、その電子濃度
を制御電極に印加された電圧によって制御し、制御電極
（ゲート電極）を挟んで設けられた、オッミック電極（
ソース−ドレイン電極）から構成された電界効果トラン
ジスタは、高利得と低雑音の特徴を生かして開発が進め
られている。

特にＮ型ＡＪＧａＡｓとアンドープＧａＡｓとの半導体
ヘテロ接合を用いたＨＪ−ＦＥＴは、４ＧＨ２以上の超
高周波帯における低雑音素子として、ＧａＡｓ−ＭＥＳ
ＦＥＴと置き替えられている。

従来技術による電界効果トランジスタの断面構造につい
て、第４図を参照して説明する。

半絶縁性ＧａＡｓ基板１の表面に、アンドープＧａＡｓ
歪格子電流チャネル層２、Ｎ型ＡρＧａＡｓ電子供給層
３、Ｎ型ＧａＡｓコンタクト層４がエピタキシャル成長
されている。

Ｎ型ＧａＡｓコンタクト層４とオーミック接触を形成す
るソース電極６、ドレイン電極７およびＮ型ＡｌｌＧａ
Ａｓ電子供給層３とショットキ接合を形成するゲート電
極１２がある。

半導体ヘテロ接合に近接して、電子親和力が小さいＮ型
ＡＪｉ’ＧａＡｓ電子供給層３から電子親和力が大きい
ア、ンドーブＧａＡｓ歪格子電流チャネル層２に電子が
移動し、２次元電子ガス５が蓄積される。

この電界効果トランジスタは、２次元電子ガス５を電流
チャネルとしてゲート電極１２で電子濃度を変調し、ソ
ース電極６とドレイン電極７との間の電流を制御する。

ソース電極６、ドレイン電極７と２次元電子ガス５との
直列抵抗を低減するために、Ｎ型Ｇ　ａ　ＡＳコンタク
ト層４が設けられている。

Ｎ型ＧａＡｓコンタクト層４をメサエッチングしてリセ
ス９を形成し、Ｎ型ＡρＧａＡｓ電子供給層３の表面に
ゲート電極１２が形成されている。

このときゲート電極１２直下のＮ型ＡρＧａＡＳ電子供
給層３は、通常熱平衡状態において完全に空乏化するよ
うに、不純物濃度と厚さとが決められている。

したがって２次元電子ガスの濃度がゲート電極１２のバ
イアス電圧で、高感度変調されることにより、高い相互
コンダクタンスが得られる。

ところがこの構造では、ゲート電極１２の近傍のリセス
底部９ａの直列抵抗は、Ｎ型ＧａＡｓコンタクト層４が
途切れているなめ、２次元電子ガス５の濃度に直接依存
している。

〔発明が解決しようとする課題〕

小電流で動作させる低雑音素子や、エンハンスメントモ
ードで使用する素子では、ゲート直下の２次元電子ガス
濃度が低く制限され、リセス底部の直列抵抗が素子特性
を大きく左右する程度まで増大する。

最新の素子ではソース電極側のゲート電極端からリセス
端９ｂまでの距離りは０，１〜０．２μｍと微細化され
ているため、その寸法制御は難しく、この長さＬの製造
上のばらつきが素子特性のばらつきに大きな影響を及ぼ
す。

特にエンハンスメントモードで使用する素子では、ゲー
ト電極直下の２次元電子ガス濃度が、ゲート電極にバイ
アスを印加しないときにゼロとなるように、リセス内の
Ｎ型Ａ！ｌＧａＡｓ電子供給層の厚さと不純物濃度とを
決めるため、ゲート電極直下以外のリセス底部において
、２次元電子ガス濃度はＮ型ＡｊｌＧａＡｓとＧａＡｓ
との電子親和力の違いおよびＮ型Ａｊ’ＧａＡｓ層中の
不純物濃度ＮＤで決まる最大濃度と比較して大幅に減少
し、この直列抵抗が素子特性を劣化させている。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の半導体装置は、半絶縁性化合物半導体基板の表
面に、第１のアンドープ半導体層がエピタキシャル成長
され、さらに前記第１の半導体層よりも電子親和力の小
さい第２のＮ型半導体層がヘテロ接合を介してエピタキ
シャル成長され、その上に形成された制御ゲート電極を
挟んでオーミックコンタクトをなすソース−トレイン電
極を有する半導体装置において、ゲート電極直下以外で
は、ペテロ接合界面に沿って第１の半導体層に発生する
２次元電子ガスの電子密度が、常に第１の半導体層と第
２の半導体層間の電子親和力の差と、第２の半導体層内
のＮ型不純物濃度とで決まる最大濃度であるものである
。

〔実施例〕

本発明の第１の実施例について、第１図（ａ）〜（ｅ−
）を参照して説明する。

はじめに第１図（ａ）に示すように、半絶縁性ＧａＡｓ
基板１の表面に分子線エピタキシャル成長（ＭＢＥ＞に
より、厚さ１μｍのアンドープＧａＡｓ層２、キャリア
濃度２Ｘ１０１８ｃｍ−’、Ａρ：Ａｓ混晶比を３・１
０とする厚さ５００人のＮ型ＡρＧａＡｓ電子供給層３
、キャリア濃度２Ｘ　１０１８ｃ　ｍ−３、厚さ１００
０人のＮ型ＧａＡｓコンタクト層４を連続成長する。

Ｎ型ＡρＧａＡｓ電子供給層３と接するアンドープＧａ
Ａｓ層２の界面近傍に電界効果トランジスタの電流チャ
ネルとなる２次元電子ガス５が発生する。

ここでＮ型Ａ、＆ＧａＡｓ電子供給層３の厚さ５００人
は、最大の２次元電子ガス濃度ｎ　５．、、Ｘを得るの
に充分であり、ｎｓ　＝１．ｌＸｌ０１２ｃｍ−２が得
られた。

つぎに第１図（ｂ）に示すように、リフトオフ法と４０
０〜４５０°Ｃの熱処理によりＡｕ−Ｇｅ／　Ｎ　ｉ合
金層からなるソース電極６とドレイン電極７とを形成す
る。

つぎに第１図（ｃ）に示すように、アンモニアと過酸化
水素の混合液を用いてフォトレジスト８をマスクとして
、Ｎ型ＧａＡｓコンタクト層４を選択エツチングして第
１リセス９を形成する。

つぎに第１図（ｄ）に示すように、フォトレジスト８を
除去してから、ＥＢ直描法によりソース電極６側のＮ型
ＧａＡｓコンタクト層４から１０００〜１５００人離れ
た第１リセス９の内部に２０００人の開口を有する電子
線レジスト１０を形成する。

正確なしきい値電圧特性を実現するために、ソース電極
６とドレイン電極７との間に一定のバイアス電圧を印加
し、電流値をモニターしながら１００〜２００人ウェッ
トエツチングし、所定のモニター電流値を得るように第
２リセス１１を形成する。

つぎに第１図（ｅ）に示すように、電子線レジスト１０
を用いたリフトオフプロセスにより、Ｎ型Ａ！２ＧａＡ
ｓ電子供給層３とショットキ接合をなすＴ　ｉ　−Ａ　
、１１ゲート電極１２を形成する。

この低雑音電界効果トランジスタでは、従来技術による
第４図のものに比べて、第１リセス端９ｂとゲート電極
１２との間の直列抵抗が、従来の０．３Ω　ｍｍから本
実施例の０．１Ω・ｍｍまで改善された。

さらにソース電極６とゲート電極１２との間の直列抵抗
は、従来の０，８Ω・ｍｍから本実施例の０．６Ω・ｍ
ｍ弱まで改善された。

こうして伝達コンダクタンスは１０％向上し、雑音指数
は０．１ｄＢ強改善された。

つぎに第２の実施例として、Ｉ　ｎＧａＡｓＧａＡｓ全
格子層ャネル層とした電界効果トランジスタをついて、
第２図を参照して説明する。

ここでは半絶縁性ＧａＡｓ基板１の表面に、ＭＢＥ法に
より厚さ１μｍのアンドープＧａＡｓ層２、Ｉ　ｎ　：
　Ａｓ混晶比を１＝１５とする厚さ１８０人のアンドー
プＩｎＧａＡｓ歪格子電流チャネル層２ａ、キャリア濃
度２　Ｘ　１０１８ｃ　ｍづ、厚さ５００人のＮ型Ａβ
ＧａＡｓ電子供給層３、キャリア濃度２Ｘ１０１８ｃｍ
−’、厚さ１０００人のＮ型ＧａＡｓコンタクト層４が
連続成長されている。

アンドープＩ　ｎＧａＡｓ歪格子電流チャネル層２ａに
は、２．２Ｘ１０１２ｃｍ−２の２次元電子ガス５が発
生している。

これは第１の実施例における２次元電子ガス濃度の２倍
であり、ソース電極６とゲート電極１２との間の直列抵
抗はより一層低減され、電界効果トランジスタの性能が
向上した。

つぎに第３の実施例として、ＩｎＰ基板と格子整合する
Ｉ　ｎ　０．５２ＡＩ　０．４８Ａ　ＳとアンドープＩ
ｎ。５３Ｇ　ａ　０．４７Ａ　Ｓの半導体ヘテロ接合を
用いた電界効果トランジスタについて、第３図を参照し
て説明する。

ここでは半絶縁性ＩｎＰ基板１ａの表面に、ＭＢＥ法に
よりＩ　ｎ　：　Ａｓ混晶比を５２：１００とする、厚
さ３０００人のアンドープＩ　ｎＡ、１２Ａｓ層２ｂ、
Ｉｎ：Ａｓ混晶比を５３＋１００とする、厚さ５００人
のアンドープＩ　ｎＧａＡｓ歪格子電流チャネル層２ａ
、キャリア濃度２×１０１１０ｌ８’、厚さ５００人の
Ｎ型Ｉ　ｎ　Ａ　Ｉ　Ａ　ｓ電子供給層３ｂ、キャリア
濃度２Ｘ１０１８ｃｍ−’、厚さ１０００人のＮ型Ｉ　
ｎＧａＡｓコンタクト層４ａが連続成長されている。

２次元電子ガス５はＮ型１ｎＡβＡｓ歪格子電子供給層
３ｂ近傍のアンドープＩｎＧａＡｓ電流チャネル層に発
生し、その濃度は２．ＯＸ１０１２ｃｍ−２であった。

この半導体ヘテロ接合系では、特に２次元電子ガス濃度
が高く、電子移動度と移動度とが大きく、高性能な電界
効果トランジスタに適している。

〔発明の効果〕

ゲート電極直下以外のリセス底部の２次元電子ガス濃度
を、ヘテロ接合を形成する２種の半導体間の電子親和力
の違いと電子供給層中の不純物濃度で決まる最大量とし
た。

さらにＮ型コンタクト層が直接ゲート電極と接しない構
造としている。

こうしてソース電極とゲート電極との間の直列抵抗を大
幅に低減し、半導体ヘテロ接合構造を利用した電界効果
トランジスタの性能を飛躍的に向上させることができた
。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｅ）は本発明の第１の実施例を示す断
面図、第２図は本発明の第２の実施例を示す断面図、第
３図は本発明の第３の実施例を示す断面図、第４図は従
来技術による化合物半導体ヘテロ接合電界効果トランジ
スタを示す断面図である。 １・・・半絶縁性ＧａＡｓ基板、−１ａ・・・半絶縁性
１ｎＰ基板、２・・・アンドープＩ　ｎＧａＡｓ歪格子
電流チャネル層、２ａ・・・アンドープＩ　ｎＧａＡｓ
歪格子電流チャネル層、２ｂ・・・アンドープＩ　ｎＡ
ＡＡｓ層、３−Ｎ型Ａ、ＲＧａＡｓ電子供給層、３ａ・
・・Ｎ型１　ｎＡｆｆｌＡｓ電子供給層、４・・・Ｎ型
ＧａＡＳコンタクト層、４ａ・・・Ｎ型Ｉ　ｎＧａＡｓ
コンタクト層、５・・・２次元電子ガス、６ソース電極
、７・・・ドレイン電極、８・・・フォトレジスト、９
・・・第１リセス、９ａ・・リセス底部、９ｂ・・・リ
セス端、１０・・・電子線レジスト、１１・・・第２リ
セス、１２ゲート電極。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 半絶縁性化合物半導体基板の表面に、第１のアンドープ
   半導体層がエピタキシャル成長され、さらに前記第１の
   半導体層よりも電子親和力の小さい第２のＮ型半導体層
   がヘテロ接合を介してエピタキシャル成長され、その上
   に形成された制御ゲート電極を挟んでオーミックコンタ
   クトをなすソース−ドレイン電極を有する半導体装置に
   おいて、ゲート電極直下以外では、前記ヘテロ接合界面
   に沿って前記第１の半導体層に発生する２次元電子ガス
   の電子密度が、常に前記第１の半導体層と前記第２の半
   導体層間の電子親和力の差と、前記第２の半導体層内の
   Ｎ型不純物濃度とで決まる最大濃度であることを特徴と
   する半導体装置。