JPH03276642A - Semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device

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JPH03276642A
JPH03276642A JP7652890A JP7652890A JPH03276642A JP H03276642 A JPH03276642 A JP H03276642A JP 7652890 A JP7652890 A JP 7652890A JP 7652890 A JP7652890 A JP 7652890A JP H03276642 A JPH03276642 A JP H03276642A
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JP
Japan
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radiation
active layer
carrier concentration
irradiated
mesfet
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JP7652890A
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Japanese (ja)
Inventor
Katsunori Nishiguchi
勝規 西口
Tatsuya Hashinaga
達也 橋長
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Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
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Abstract

PURPOSE:To enhance a radiation-resistant property by a method wherein the semiconductor device can be used under surroundings irradiated with a radiation whose total dose is a prescribed value or higher and the carrier concentration before an active layer is irradiated with the radiation is specified. CONSTITUTION:A signal processing circuit which is constituted by being combined with a MESFET is provided so as to be operated normally when a change rate alpha=IdssA/Idss is within a permissible change rate alphaL, where the value after a change in the saturation current Idss between a source and a drain of the MESFET is IdssA. This semiconductor device can be used under surroundings irradiated with a radiation whose total dose R is 1X10<9> roentgens or higher, and the carrier concentration ND before an active layer is irradiated with the radiation is formed as expressed by the formula when the reduction quantity of the carrier concentration before the active layer by being irradiated with the radiation having a total dose of R is DELTAND and carrier mobilities before and after the active layer is irradiated with the radiation are mu and muA, respectively.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は耐放射線性が要求される機器に使用される半導
体装置に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to a semiconductor device used in equipment requiring radiation resistance.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

宇宙空間や原子炉近傍などで使用されるデバイスは、い
わゆる耐放射線性が要求される。放射線にはガンマ(γ
)線のほか中性子線、陽子線などが含まれるが、これら
の被爆限界は一般に、シリコン(Sl)デバイスでI×
106レントゲン、ガリウムヒ素(Ga As )デバ
イスでI×108レントゲン程度となっている(「宇宙
開発関連シンポジウム講演要旨集JP、35〜38)。
Devices used in outer space or near nuclear reactors are required to have so-called radiation resistance. Radiation has gamma (γ
) rays, neutron beams, proton beams, etc., but the exposure limits for these are generally I× for silicon (Sl) devices.
106 Roentgen, and about I×108 Roentgen for gallium arsenide (GaAs) devices (``Space Development Related Symposium Abstracts JP, 35-38).

〔発明が解決しようとする課題〕[Problem to be solved by the invention]

Ga Asデバイスの耐放射線性を向上させる技術とし
ては、例えば次のようなものが従来から提案されている
。第1は、n型の活性層の下側にP型層を埋め込み、こ
れによって基板へのリーク電流を低減することで、特に
閾値電圧の点で耐放射線性を向上させるものである。第
2は、ゲート長を短くするものであり、第3は、n型の
活性層を薄くしてキャリア濃度を上げるものである。
As techniques for improving the radiation resistance of GaAs devices, the following techniques have been proposed in the past, for example. The first is to embed a P-type layer under the n-type active layer, thereby reducing leakage current to the substrate, thereby improving radiation resistance, particularly in terms of threshold voltage. The second method is to shorten the gate length, and the third method is to increase the carrier concentration by making the n-type active layer thinner.

しかしながら、従来のものは総線量Rが1×108レン
トゲン程度までの耐放射線性はあるが、十分に実用的な
レベル(1×109レントゲン)とは言えない。また、
上記第3のタイプに関しては、一般的には活性層の高キ
ヤリア濃度化は必要とされているものの、回路設計上必
要とされるトランジスタ特性を得るという観点からの検
討は全くなされておらず、従って1×109レントゲン
程度の耐放射線性を有する実用的なトランジスタはこれ
まで実現されていない。
However, although the conventional type has radiation resistance up to a total dose R of about 1×10 8 roentgens, it cannot be said to be at a sufficiently practical level (1×10 9 roentgens). Also,
Regarding the third type, although it is generally necessary to increase the carrier concentration in the active layer, no consideration has been made from the perspective of obtaining the transistor characteristics required for circuit design. Therefore, a practical transistor having radiation resistance of about 1×10 9 Roentgen has not been realized to date.

一方、ガンマ線がGa Asに照射されると、トータル
ドーズ効果によってキャリアを捕獲するトラップが発生
し、キャリアの減少を招くことが知られている。そして
、これに関する研究も、例えばJ、^pp1.Phys
、 、Vol、83.No、5. (1988年3月1
日)第1678頁〜1686頁においてB、Klano
usekらにより発表されている。しかし、トータルド
ーズ効果による影響の定量化については、未だ試みられ
ていない。
On the other hand, it is known that when GaAs is irradiated with gamma rays, traps that capture carriers are generated due to the total dose effect, leading to a decrease in carriers. Research on this is also available, for example, in J, ^pp1. Phys.
, , Vol. 83. No, 5. (March 1, 1988
B, Klano on pages 1678-1686
Published by Usek et al. However, no attempt has yet been made to quantify the influence of the total dose effect.

そこで本発明は、簡単な構成により、特にソース・ドレ
イン間飽和電流の変化の点から更に耐放射線性を向上さ
せることのできる半導体装置を提供することを目的とす
る。
SUMMARY OF THE INVENTION Therefore, an object of the present invention is to provide a semiconductor device that can further improve radiation resistance with a simple configuration, particularly in terms of changes in source-drain saturation current.

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

本発明者はGa As ME S F ETに放射線を
照射したときに、GaAsMESFETのソース−ドレ
イン間飽和電流I  の変化率α−I  /dss  
      dssA 1    (I   は変化後の1  )が活性層のキ
dss   dssA       dssヤリア濃度
N の変化量ΔN、と一定の関係を有り するという事実に着目した上で、上記の変化量ΔN、が
総線量Rと一定の定量的関係を有することをホール効果
測定により発見し、本発明を完成した。
The present inventor has determined that when a GaAs MESFET is irradiated with radiation, the rate of change α-I /dss of the source-drain saturation current I of the GaAs MESFET
Focusing on the fact that dssA 1 (I is 1 after change) has a certain relationship with the amount of change ΔN in the active layer's concentration N, the above amount of change ΔN is the total dose. The present invention was completed by discovering through Hall effect measurement that there is a certain quantitative relationship with R.

すなわち本発明は、Ga As中に深さ方向で略一様に
不純物をドーピングして形成されたMESFETと、こ
のMESFETのソース・ドレイン間飽和電流I  の
変化後の値をI  としたとdss         
dssA きの変化率α−1/I   が許容変化率α。
In other words, the present invention is based on a MESFET formed by doping impurities substantially uniformly in the depth direction in GaAs, and dss, where I is the value after the change in the source-drain saturation current I of this MESFET.
The rate of change α-1/I of dssA is the allowable rate of change α.

dssA     dss 以内であるときに正常に動作するように当該MESFE
Tと組み合せて構成された信号処理回路とを備え、総線
量Rが1XIO9レントゲン以上の放射線照射環境下で
使用され得る半導体装置であって、総線量Rの放射線照
射による活性層のキャリア濃度減少量をΔN 、活性層
における放射線り 照射前、後のキャリア移動度をそれぞれμ、μいとした
ときに、活性層の放射線照射前のキャリア濃度NDが、 1/2 N  〉ΔN/+1−[α  (μ/μ  )])DD
          L         Aであるこ
とを特徴とする。このとき、活性層の実効的な厚さaは
近似的に a−t(2ε/q−N  )   (y  −y  )
11/2D     bi   th となる。ここで、VblはMESFETのビルトイン電
圧である。
dssA dss so that the MESFE operates normally.
A semiconductor device comprising a signal processing circuit configured in combination with T, and which can be used in a radiation irradiation environment with a total dose R of 1XIO9 Roentgen or more, wherein the amount of decrease in carrier concentration in an active layer due to radiation irradiation with a total dose R When ΔN is the carrier mobility in the active layer before and after radiation irradiation is μ and μ, respectively, the carrier concentration ND in the active layer before radiation irradiation is 1/2 N 〉ΔN/+1−[α ( μ/μ)])DD
It is characterized by being LA. At this time, the effective thickness a of the active layer is approximately a-t(2ε/q-N) (y-y)
It becomes 11/2D bi th. Here, Vbl is the built-in voltage of the MESFET.

〔作用〕[Effect]

本発明によれば、照射される放射線の総線量Rが1×1
09レントゲン以下の場合はもちろん、これ以上であっ
てもあらかじめ設定された放射線量の下では、GaAs
MESFETのソース・ドレイン間飽和電流I  は所
定範囲(信号処理回ss 路によって定まる許容範囲)に収まり、従ってGaAs
MESFETとこれに協動する信号処理回路とを備えて
構成される半導体装置は、当初の設計値通りに正常に動
作することになる。
According to the present invention, the total dose R of the irradiated radiation is 1×1
Not only when the radiation level is below 09 Roentgen, but even above this level, under a preset radiation dose, GaAs
The source-drain saturation current I of MESFET falls within a predetermined range (tolerable range determined by the signal processing circuit), so GaAs
A semiconductor device including a MESFET and a signal processing circuit that cooperates with the MESFET will operate normally according to the originally designed values.

〔実施例〕〔Example〕

以下、本発明の原理および構成を図面を参照して詳細に
説明する。
Hereinafter, the principle and configuration of the present invention will be explained in detail with reference to the drawings.

本発明の半導体装置はGa AsからなるMESFET
と、これと協動するように組み合された信号処理回路を
有し、このME S F ETと信号処理回路により例
えば増幅回路、インバータ、発振回路などの組合せ回路
などが構成される。
The semiconductor device of the present invention is a MESFET made of GaAs.
The MESFET and the signal processing circuit are combined to form a combination circuit such as an amplifier circuit, an inverter, and an oscillation circuit.

ここで、上記MESFETの一実施例の基本的構成を、
第1図により説明する。このMESFETは、第1図に
断面図で示すリセットゲート構造のGaAsMESFE
Tである。同図に示す通り、半絶縁性のGa As基板
1上にn型活性層2およびn+型コンタクト層3をエピ
タキシャル成長法で形成し、ゲート領域のn型活性層2
およびn+型コンタクト層3の一部をエツチングで除去
してリセス構造とする。次に、真空蒸着法でn 型コン
タクト層3上にソース電極4およびドレイン電極5をオ
ーミック金属で形成し、n型活性層2上にゲート電極6
をショットキ金属で形成する。ここで、ゲート電極6の
直下におけるn型活性層2を従来品に比べて十分に薄く
、n型活性層2のキャリア濃度NDは従来品に比べて高
濃度になっている。
Here, the basic configuration of one embodiment of the above MESFET is as follows:
This will be explained with reference to FIG. This MESFET is a GaAs MESFE with a reset gate structure shown in the cross-sectional view in FIG.
It is T. As shown in the figure, an n-type active layer 2 and an n+-type contact layer 3 are formed on a semi-insulating GaAs substrate 1 by epitaxial growth, and the n-type active layer 2 in the gate region is
Then, a part of the n+ type contact layer 3 is removed by etching to form a recessed structure. Next, a source electrode 4 and a drain electrode 5 are formed of ohmic metal on the n-type contact layer 3 by vacuum evaporation, and a gate electrode 6 is formed on the n-type active layer 2.
is made of Schottky metal. Here, the n-type active layer 2 directly under the gate electrode 6 is sufficiently thinner than the conventional product, and the carrier concentration ND of the n-type active layer 2 is higher than that of the conventional product.

この組合せ回路におけるMESFETは所定のソース・
ドレイン間飽和電流I  を有するが、dss この飽和電流I  は放射線照射環境下で変化すdss ることか従来から知られている。そして、変化した後の
飽和電流I  が信号処理回路によりあらssA かじめ要求されている範囲外の値になると、この組合せ
回路は正常に動作しなくなる。以下、本明細書ではこの
許容範囲における飽和電流I  のdss 変化率α−I   /I   の許容値を、許容変化d
ssA   dss 率α、と定義して説明する。
The MESFET in this combinational circuit has a predetermined source
It has been known that this saturation current I changes under the radiation irradiation environment. If the changed saturation current I becomes a value outside the range previously requested by the signal processing circuit, this combinational circuit will no longer operate normally. Hereinafter, in this specification, the permissible value of the dss change rate α-I /I of the saturation current I in this permissible range is defined as the permissible change d
This will be explained by defining the ssA dss rate α.

上記のように、MESFETのソース・ドレイン間飽和
電流I  は放射線照射により変化するdss ことが知られているが、この変化の原因については、第
1に放射線による活性層のキャリア濃度の減少、第2に
放射線による電子移動度の低下などが報告されている。
As mentioned above, it is known that the source-drain saturation current I of MESFET changes due to radiation irradiation. 2, a decrease in electron mobility due to radiation has been reported.

本発明者は、上記の第1の点について詳細な検討を行な
い、活性層におけるキャリア濃度N の減少量ΔN、と
照射放射線の総り 線量Rの間には、 ΔND−b−R・・・(1) の関係が成り立つことをホール測定により見出し、この
関係が飽和電流I  の変化の実験値を極めdss て適切に説明していることを確認した。ここで、b、c
は共に定数であって、(1)式は活性層の初期(放射線
照射前)のキャリア濃度NDがI×7 10〜1×1019cITI−3テあり、カつ照射サレ
ル放射線の総線量RがI×108〜1×101Oレント
ゲンの範囲において成立する。この場合、定数す、cは
活性層の初期キャリア濃度や放射線のエネルギーあるい
は基板の品質等のばらつきにより、ある程度の幅をもっ
ている。
The present inventor conducted a detailed study on the above first point, and found that the difference between the amount of decrease ΔN of the carrier concentration N in the active layer and the total dose R of the irradiation radiation is ΔND-b-R... It was found through Hall measurements that the relationship (1) holds true, and it was confirmed that this relationship adequately explains the experimental value of the change in saturation current I. Here, b, c
are both constants, and equation (1) shows that the initial carrier concentration ND of the active layer (before radiation irradiation) is I x 7 10 to 1 x 1019 cITI-3, and the total dose R of Salel radiation is I This holds true in the range of ×108 to 1×101O Roentgen. In this case, the constants s and c have a certain range due to variations in the initial carrier concentration of the active layer, the energy of the radiation, the quality of the substrate, etc.

上記の定数す、cは、次のような実験により求めること
とした。
The constants S and c mentioned above were determined by the following experiment.

まず、Si ドープによってn型とされたGaAsホー
ル素子を用意する。ここで、n−GaAs層はエピタキ
シャル成長法により作製され、従ってn−GaAs内の
キャリア濃度分布は、ホール素子の深さ方向、長さ方向
および奥行方向において一定になっている。このような
サンプルを、n−GaAs層の厚さが100 A〜2 
urn、キャリア濃度がI X 1016C111−3
〜5 X i 018cm−”となったものについて複
数用意する。そして、ホール測定を行なってキャリア濃
度と移動度を求めると、キャリア消減数はキャリア濃度
をN1キャリア変化量をΔNとしたときに、 ΔN−N (照射前)−N(照射後) として求めることができる。
First, a GaAs Hall element doped with Si to make it n-type is prepared. Here, the n-GaAs layer is fabricated by an epitaxial growth method, and therefore the carrier concentration distribution in the n-GaAs is constant in the depth direction, length direction, and depth direction of the Hall element. Such a sample was prepared with an n-GaAs layer thickness of 100 A to 2
urn, carrier concentration is I X 1016C111-3
5 X i 018 cm-''. Then, when Hall measurements are performed to find the carrier concentration and mobility, the carrier extinction number is as follows, where the carrier concentration is N1 and the amount of carrier change is ΔN. It can be determined as ΔN - N (before irradiation) - N (after irradiation).

このような実験によれば、定数す、cは5×105≦b
≦I X 10B 1.0≦C≦1.3 程度の幅を有しており、代表的な値としてはb−6,6
5X10   c−1,17であり、従ってキャリア濃
度減少量ΔN、の代表値は 5     1.17 ΔN   −6,65X10    φ Rと表わすこ
とができる。
According to such experiments, the constant S,c is 5×105≦b
≦I
5×10 c−1,17, and therefore, the representative value of the carrier concentration reduction amount ΔN can be expressed as 5 1.17 ΔN −6,65×10 φ R.

これを、横軸にガンマ線照射量、縦軸にキャリア消減数
をとった両対数グラフで示すと、第2図に黒点で示すよ
うになり、前述の(1)式を上記の如く 5     1.17 ΔN−6.65X10拳R として示すと、同図中の点線のようになる。
If this is shown in a double logarithmic graph with the horizontal axis representing the gamma ray irradiation dose and the vertical axis representing the carrier extinction number, it will be shown by the black dots in FIG. 17 ΔN-6.65X10 fists R It becomes like the dotted line in the same figure.

次に本発明者は、発明の特徴に係る考察として、第1図
に示される構造のGa As MESFETを用いて、
放射線照射によるソース・ドレイン間飽和電流I  の
変化を実測した。その結果、第3ss 図のような飽和電流■  の変化率αの特性が得ss られ、かつ第4図のような飽和電流I  の変化ss の特性が得られた。第3図および第4図において、黒点
は実験値であり、点線は下記に示す理論式(10)に前
述の(1)式を適用して得た理論値である。
Next, as a consideration regarding the characteristics of the invention, the present inventor used a Ga As MESFET having the structure shown in FIG.
We actually measured the change in the source-drain saturation current I due to radiation irradiation. As a result, the characteristics of the rate of change α of the saturation current I as shown in FIG. 3ss were obtained, and the characteristics of the change of the saturation current I as shown in FIG. 4 were obtained. In FIGS. 3 and 4, the black dots are experimental values, and the dotted lines are theoretical values obtained by applying the above-mentioned equation (1) to the following theoretical equation (10).

そこで、次に飽和電流I  の変化率α−ss 1   /I   の理論式を求める。まず、MESd
ssA   dss FETのソース・ドレイン間飽和電流■  は、dss ソース抵抗Rを無視した真性FETについて2  2 
3 1  −1(W  ・μ・q −N  −a )/ds
s    g        D (6ε・L  )1 X (1−3(Vbl−VG)/V。
Therefore, next, a theoretical formula for the rate of change α-ss 1 /I of the saturation current I is determined. First, MESd
The source-drain saturation current of a ssA dss FET is 2 2 for an intrinsic FET ignoring the dss source resistance R.
3 1 -1(W ・μ・q −N −a )/ds
s g D (6ε·L)1 X (1-3(Vbl-VG)/V.

3/2 +2[(V  −V  )/V  ]   1bi  
 G    p ・・・ (6) となる。ここで、W はゲート幅、μは活性層2におけ
る電子移動度、L はゲート長、Vcはゲ−ト電圧、■
 はピンチオフ電圧である。計算を簡単にするためにV
。−Vbiの時の飽和電流I  をI  とすると、(
6)式は dss   DSS 2  2 3 I   −(W  φμ會q  −N   ・a  )
/DSS    g        D (6ε・L )         ・・・(7)となる
。従って、放射線照射による変化率αは、(7)式より α −I     /I D5SA     DSS 2 − (μ  ・ N   )/ (μ ・ N   )
・・・ (8)A    、DA          
    Dとなる。ここで、NDAは放射線照射後のキ
ャリア濃度であり、 NDA−ND −ΔND             ・
・・ (9)であるから、(8)式は 2 α−(μ  (N −ΔN  )  l/(μ・N  
)AD    D         D ・・・(10) となる。
3/2 +2[(V-V)/V] 1bi
G p ... (6) becomes. Here, W is the gate width, μ is the electron mobility in the active layer 2, L is the gate length, Vc is the gate voltage,
is the pinch-off voltage. To simplify the calculation, V
. If the saturation current I at -Vbi is I, then (
6) The formula is dss DSS 2 2 3 I − (W φμ q −N ・a)
/DSS g D (6ε·L) (7). Therefore, from equation (7), the rate of change α due to radiation irradiation is α −I /I D5SA DSS 2 − (μ ・N ) / (μ ・N )
... (8) A, DA
It becomes D. Here, NDA is the carrier concentration after radiation irradiation, NDA - ND - ΔND ・
... (9), so equation (8) is 2 α−(μ (N −ΔN ) l/(μ・N
)ADDD...(10)

ここで、(10)式を検討すると、変化率αは電子移動
度μの放射線照射による変化(μ−μA)にも影響され
ることがわかるが、放射線照射前のキャリア濃度がI 
X 1018cm−”程度の場合にはμA/μm0.9
5程度であり、高濃度になるにつれて変化は小さくなる
。そこで、μA/μ−〇595として計算を行なったと
ころ、結果は第3図および第4図の点線のようになり、
先に説明したように実験値との一致が確認された。
Here, if we consider equation (10), we can see that the rate of change α is also affected by the change in electron mobility μ due to radiation irradiation (μ−μA), but the carrier concentration before radiation irradiation is I
In the case of X 1018cm-”, μA/μm0.9
It is about 5, and the change becomes smaller as the concentration becomes higher. Therefore, when we performed calculations using μA/μ-〇595, the results were as shown by the dotted lines in Figures 3 and 4.
As explained above, agreement with experimental values was confirmed.

これらの実験および考察の結果、第1に、放射線損傷に
おけるMESFETの特性劣化の主たる原因は活性層に
おけるキャリア濃度の減少にあり、ホール効果測定によ
る関係式(1)は放射線照射下のキャリア濃度の減少を
極めてよく説明していることがわかった。第2に、(1
0)式においてμは定数でありμ^/μの値は近似的に
推定でき、しかもΔNDは放射線量に依存して(1)式
から定まるのであるから、活性層の初期のキャリア濃度
N、の設定のみにより飽和電流変化率αを所定値に設定
できることがわかった。具体的には、従来品のように活
性層2のキャリア濃度N、を2X1017cIn−3前
後としたときには、耐放射線性は第4図のように不十分
なものになっているが、キャリア濃度N をI X 1
018cm−”に設定したときには、第3図のように耐
放射線性は著しく改善される。
As a result of these experiments and considerations, firstly, the main cause of the deterioration of MESFET characteristics due to radiation damage is a decrease in the carrier concentration in the active layer, and the relational expression (1) based on Hall effect measurements is based on the decrease in carrier concentration under radiation irradiation. It was found that the decrease was explained very well. Second, (1
In Equation 0), μ is a constant and the value of μ^/μ can be approximately estimated, and ΔND is determined from Equation (1) depending on the radiation dose. Therefore, the initial carrier concentration N in the active layer, It has been found that the saturation current change rate α can be set to a predetermined value only by setting . Specifically, when the carrier concentration N of the active layer 2 is set to around 2X1017cIn-3 as in the conventional product, the radiation resistance is insufficient as shown in Fig. 4, but the carrier concentration N I x 1
When the radiation resistance is set to 0.018 cm-'', the radiation resistance is significantly improved as shown in FIG.

以上の知見にもとづき、総線量Rが1×109レントゲ
ン以下の場合はもちろん、それ以上の放射線照射環境下
であっても正常に動作する半導体装置の構造を、特に活
性層2のキャリア濃度の点から特定することができる。
Based on the above knowledge, we have developed a structure for a semiconductor device that operates normally not only when the total dose R is 1 x 109 Roentgens or less, but also under radiation irradiation environments greater than that, especially with regard to the carrier concentration in the active layer 2. It can be specified from

すなわち、Ga AsMESFETが信号処理回路と組
み合されて上記半導体装置が形成され、MESFETの
ソース・ドレイン間飽和電流I  の許容変化率がα、
でdss あるときに、半導体装置に係る組み合せ回路が設計値通
りの動作をするためには、活性層2の初期のキャリア濃
度NDは(10)式より 1/2 N   〉 Δ N/ll−[α   (μ / μ 
  ) コ     )D       D     
      L         A・・・ (11) でなければならず、この場合の活性層2の実効的な厚さ
aは 1/2 a−([2ε/(q−N  )]・(Vbi−Vth”
・・・ (12: となる。ここで、総線量R−I X 109レントゲン
について、飽和電流I  の許容変化率αL−SS 0.9(1>0.91   )として具体的にDSSA
      DSS 計算すると、キャリア濃度の変化量ΔN、は(1〕式よ
り ΔN  −2,25×1016(1)−3となり、活性
層2のキャリア濃度は(10)式より8.44X10’
(至)−3以上となる。そして、このような活性層2の
キャリア濃度おいて閾値電圧Vthを Vth−−1,2V としたときには、活性層2の実効的な厚さは(12)式
より546Aとなる。但し、誘電率ε−ε ・ε。
That is, the semiconductor device is formed by combining a GaAs MESFET with a signal processing circuit, and the allowable rate of change of the source-drain saturation current I of the MESFET is α,
In order for the combinational circuit related to the semiconductor device to operate as designed, the initial carrier concentration ND of the active layer 2 must be 1/2 N > Δ N/ll−[ from equation (10). α (μ / μ
) ko) D D
L A... (11) In this case, the effective thickness a of the active layer 2 is 1/2 a-([2ε/(q-N)]・(Vbi-Vth")
... (12:) Here, for the total dose R-I
DSS When calculated, the amount of change in carrier concentration ΔN is ΔN −2,25×1016(1)−3 from equation (1), and the carrier concentration in active layer 2 is 8.44×10′ from equation (10).
(to) -3 or more. When the threshold voltage Vth is set to Vth--1, 2V at such a carrier concentration in the active layer 2, the effective thickness of the active layer 2 is 546 A from equation (12). However, the dielectric constant ε−ε ・ε.

12 −12.OX8.85X10   F/m19 電子の電荷q=1.602xlo   Cヒルトイン電
圧Vb、−0,7V とする。
12-12. OX8.85X10 F/m19 Electron charge q=1.602xlo C Hilt-in voltage Vb, -0.7V.

耐放射線性に関する本発明品と従来品の比較を、第5図
に示す。同図において、(イ)、(ロ)。
A comparison between the product of the present invention and the conventional product regarding radiation resistance is shown in FIG. In the same figure, (a) and (b).

(ハ)の曲線は従来から市販のMESFETの特性を示
しており、特に(ロ)の曲線は活性層2のキャリア濃度
N を2. 09 X 10 ’cs−”とした第6図
の特性に対応している。また、曲線(ニ)は市販のHE
MT (高電子移動度トランジスタ)の特性を示してい
る。同図から明らかなように、これら従来品では総線量
R−1×109レントゲンを境界として飽和電率変化率
は急に高い値になっている。一方、n型活性層の下側に
p型層を埋め込んで基板へのリーク電流を低減させたM
ESFETの特性は、同図中の曲線(ホ)のようになり
、閾値電圧の特性改善は見られるものの(図示せず)、
飽和電流の特性改善は得られない。これに対し、活性層
2のキャリア濃度NDを1×1018cIn−3とした
(第3図の特性のものに対応した)本発明の構造では、
曲線(へ)の如<R−1×109レントゲンでも変化率
αは十分低い値に抑えられ、著しく耐放射線性が向上し
ていることがわかる。
The curve (c) shows the characteristics of conventionally commercially available MESFETs, and especially the curve (b) shows the carrier concentration N of the active layer 2 of 2. 09 x 10 'cs-'' corresponds to the characteristics shown in Figure 6. Also, the curve (D) corresponds to the characteristics of the commercially available HE
It shows the characteristics of MT (high electron mobility transistor). As is clear from the figure, in these conventional products, the saturation electric rate change rate suddenly becomes a high value when the total dose R-1×10 9 roentgen is reached. On the other hand, M
The characteristics of the ESFET are as shown in the curve (e) in the figure, and although there is an improvement in the threshold voltage characteristics (not shown),
No improvement in saturation current characteristics can be obtained. On the other hand, in the structure of the present invention in which the carrier concentration ND of the active layer 2 is 1×10 18 cIn-3 (corresponding to the characteristic shown in FIG. 3),
It can be seen that the rate of change α is suppressed to a sufficiently low value even in the case of the curve <R-1×109 X-rays, and the radiation resistance is significantly improved.

本発明については、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。
The present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications are possible.

例えば、活性層の形成はエピタキシャル成長法に限らず
、イオン注入法を用いてもよい。また、第1図のような
りセスゲート構造とすることも必須ではない。
For example, the formation of the active layer is not limited to epitaxial growth, and ion implantation may also be used. Furthermore, it is not essential to have a cess gate structure as shown in FIG.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上、詳細に説明した通り本発明では、照射される放射
線の総線量Rが1×109レントゲン以下の場合はもち
ろん、これ以上であってもGaAsMESFETのソー
ス・ドレイン間飽和電流■  は所定の許容範囲に収ま
り、従ってGass AsMESFETとこれに協働する信号処理回路とを備
えて構成される半導体装置は、当初の設計値通りに正常
に動作することになる。このため、耐放射線性を著しく
向上させることが可能になる。
As explained in detail above, in the present invention, the source-drain saturation current of the GaAs MESFET falls within a predetermined tolerance range, not only when the total dose R of irradiated radiation is less than 1 x 109 Roentgen, but even when it is more than this. Therefore, a semiconductor device configured with a Gas As MESFET and a signal processing circuit that cooperates therewith will operate normally according to the originally designed value. Therefore, it becomes possible to significantly improve radiation resistance.

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

第1図は本発明の一実施例に用い得るGa AsMES
FETの断面図、第2図はキャリア濃度減少量ΔNDの
放射線量Rに対する依存性を示す図、第3図は本発明に
係るMESFETのソース−ドレイン間飽和電流l  
の変化率αの放射線量Rss に対する依存性を示す図、第4図は従来のMESFET
のソース・ドレイン間飽和電流1dssの変化の放射線
量Rに対する依存性を示す図、第5図は本発明品の耐放
射線性を従来品と比較した特性図である。 1・・・Ga As基板、2・・・n型活性層、3・・
・n+型コンタクト層。
FIG. 1 shows a GaAs MES that can be used in an embodiment of the present invention.
A cross-sectional view of the FET, FIG. 2 is a diagram showing the dependence of the carrier concentration reduction amount ΔND on the radiation dose R, and FIG. 3 is a diagram showing the source-drain saturation current l of the MESFET according to the present invention.
Figure 4 shows the dependence of the rate of change α on the radiation dose Rss.
FIG. 5 is a characteristic diagram comparing the radiation resistance of the product of the present invention with that of a conventional product. 1... Ga As substrate, 2... n-type active layer, 3...
・N+ type contact layer.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、GaAs中に深さ方向で略一様に不純物をドーピン
グして形成されたMESFETと、このMESFETの
ソース、ドレイン間飽和電流I_d_s_sの変化後の
値をI_d_s_s_Aとしたときの変化率α=I_d
_s_s_A/I_d_s_sが許容変化率α_L以内
であるときに正常に動作するように当該MESFETと
組み合せて構成された信号処理回路とを備え、総線量R
が1×10^9レントゲン以上の放射線照射環境下で使
用され得る半導体装置であって、前記総線量Rの放射線
照射による前記活性層のキャリア濃度減少量をΔN_D
、前記活性層における前記放射線照射前、後のキャリア
移動度をそれぞれμ、μ_Aとしたときに、 前記活性層の放射線照射前のキャリア濃度N_DN_D
>ΔN_D/(1−[α_L(μ/μ_A)]^1^/
^2)であることを特徴とする半導体装置。 2、前記キャリア濃度の減少量ΔN_Dが、b、cを定
数としたときに ΔN_D=b・R^c であり、定数b、cは 5×10^5≦b≦1×10^6 1.0≦c≦1.3 であることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
[Claims] 1. MESFET formed by doping impurities substantially uniformly in the depth direction in GaAs, and when the value after change of the source-drain saturation current I_d_s_s of this MESFET is I_d_s_s_A. Rate of change α=I_d
The total dose R
is a semiconductor device that can be used in a radiation irradiation environment of 1×10^9 Roentgen or more, and the carrier concentration reduction amount of the active layer due to radiation irradiation of the total dose R is ΔN_D
, when the carrier mobility in the active layer before and after the radiation irradiation is μ and μ_A, respectively, the carrier concentration N_DN_D in the active layer before the radiation irradiation is
>ΔN_D/(1-[α_L(μ/μ_A)]^1^/
^2) A semiconductor device characterized by: 2. The amount of decrease ΔN_D in the carrier concentration is ΔN_D=b·R^c when b and c are constants, and the constants b and c are 5×10^5≦b≦1×10^6 1. 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein 0≦c≦1.3.
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