JPH0334212B2 - - Google Patents

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JPH0334212B2
JPH0334212B2 JP27132486A JP27132486A JPH0334212B2 JP H0334212 B2 JPH0334212 B2 JP H0334212B2 JP 27132486 A JP27132486 A JP 27132486A JP 27132486 A JP27132486 A JP 27132486A JP H0334212 B2 JPH0334212 B2 JP H0334212B2
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Nippon Electric Co Ltd
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    • H01L29/7782Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface with confinement of carriers by at least two heterojunctions, e.g. DHHEMT, quantum well HEMT, DHMODFET

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はゲルマニウムを能動層とするpチヤン
ネル電界効果トランジスタに関する。
〔従来の技術〕
砒化ガリウムはシリコンに比べ電子移動度が4
〜5倍大きいため、砒化ガリウムを能動層とする
種々の電界効果トランジスタが高速および高周波
数トランジスタとして使用されている。この中に
は例えばシヨツトキ・ゲート構造電界効果トラン
ジスタ(MESFET)、選択ドープ構造電界効果ト
ランジスタ(HEMT)、絶縁ゲート構造電界効果
トランジスタ(STSFET)等があげられる。
このような電界効果トランジスタを用いて大規
模集積回路を実現するには、消費電力、動作余裕
等の観点からコンプリメンタリな回路で構成する
ことが最も望ましい。シリコンを材料とする集積
回路ではこのような回路はCMOS回路と呼ばれ
ている。
一方、砒化ガリウムは電子の移動度μe(=8500
cm2/V・sec)は大きいが正孔の移動度μh(=400
cm2/V・sec)は小さく、コンプリメンタリな回
路を実現したとき、pチヤンネル電界効果トラン
ジスタのドレイン飽和電流あるいは相互コンダク
タンスgmの値が小さくなる。このため、nチヤ
ンネルおよびpチヤンネル電界効果トランジスタ
からなるコンプリメンタリ回路全体のスイツチチ
ング時間あるいは集積度といつた特性が、pチヤ
ンネル・トランジスタの特性で制限され、高速
化、集積化といつた面で大きな障害となつてく
る。これを避けるためには、pチヤンネル・トラ
ンジスタのゲート幅を広くして、gmを大きく取
る設計が必要になるが、これは回路のチツプ占有
面積が大きくなり、大規模集積化が困難となる、
あるいはこれに付随して、配線長も長くなるた
め、配線による負荷が増大し、スイツチング時間
が長くなり、回路の高速化を図る上で障害となる
といつた欠点が生じる。
事実、文献アイ・イー・デイー・エム
(IEDM)85、ダイジエスト オブ テクニカル
ペーパーズ(digest of Technical Papers)
317頁記載のデータによると、同一砒化ガリウム
ウエハー上に実現されたコンプリメンタリ絶縁ゲ
ート構造電界効果トランジスタ回路において、n
チヤンネルトランジスタのgmは218mS/mm、p
チヤンネルトランジスタのgmは28mS/mmの値
を有し、gmの違いは8倍近くに及ぶことがわか
る。第3図は従来例のpチヤンネル電界効果トラ
ンジスタの断面を模式化したものである。図にお
いて、砒化ガリウム基板1の上に真性の砒化ガリ
ウム層2、p型に高濃度ドーピングされた砒化ア
ルミニウム・ガリウム層4がエピタキシヤル成長
され、該砒化アルミニウム・ガリウム層4上には
シヨツトキ接合するゲート電極5が、またゲート
電極4の左右にはイオン注入法により形成された
p型高濃度領域6,6′,7,7′が前記砒化アル
ミニウム・ガリウム層4、砒化ガリウム層2中に
設けられ、さらにp型高濃度領域6,7の上には
ソース電極8、ドレイン電極9が設けられてい
る。前記砒化ガリウム層2中の、前記砒化アルミ
ニウム・ガリウム層4とのヘテロ接合界面には縮
退した正孔ガス3が形成され、砒化ガリウム層2
を能動層とするpチヤンネル電界効果トランジス
タが実現されている。
このような回路でpチヤンネルトランジスタの
特性が回路全体の特性を制限し、砒化ガリウムに
おけるシリコンに対する電子移動度の優位性は、
ほとんど発揮されないことになる。
〔発明が解決しようとする問題点〕
以上の如く、砒化ガリウムウエハー上に大規模
集積回路を実現するため、コンプリメンタリ電界
効果トランジスタ回路を用いると、nチヤンネル
トランジスタもpチヤンネルトランジスタも能動
層が砒化ガリウムであるため、砒化ガリウム中の
正孔の移動度が小さく、回路全体の特性がpチヤ
ンネルトランジスタの特性によつて制限され、高
速化、高集積化にとり重大な障害となるといつた
欠点があつた。
本発明の目的はこれら従来の砒化ガリウムを基
板とするpチヤンネル電界効果トランジスタの有
する欠点を除去し、新規なpチヤンネル電界効果
トランジスタを提供することにある。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明は砒化ガリウム基板上に、真性あるいは
n型にドープされたゲルマニウム層、p型にドー
プされたシリコンとゲルマニウムの混晶層または
p型にドープされたシリコン層からなる積層構造
を有し、前記積層構造に、垂直方向から電界を印
加するゲート電極と、前記積層構造の面内方向に
正孔を注入、排出するソース電極とドレイン電極
とを形成したことを特徴とするヘテロ構造電界効
果トランジスタである。
〔作用〕
エー・ジー・ミルネル(A.G.Milnes)とデ
ー・エレ・フオイヒト(D.L.Feucht)の著によ
る文献「ヘテロジヤンクシヨンズ・アンド・メタ
ル−セミコンダクタ・ジヤンクシヨンズ」の9頁
に記述されるゲルマニウムとシリコンの混晶、例
えばGe0.9Si0.1は0.77eVとゲルマニウムの0.66eV
に比べ、広いバンド・ギヤツプをもつことが知ら
れている。一方シリコンとゲルマニウムは格子間
隔のずれが4%あり、格子整合系ではないが、文
献「プロスイーデイング・フアースト・インター
ナシヨナル・シンポズイアム・オン・シリコン・
エム・ビー・イー」(proceeding 1st
International Symposium on Si MBE)の337
頁〜348頁によればシリコンとゲルマニウムの混
晶は、シリコンあるいはゲルマニウムの上にある
臨界膜厚まで、格子欠陥が入らず、エピタキシヤ
ル成長することが知られている。また、エル・チ
ヤング(L.Chang)とクラウス・プルーグ
(Klaus ploog)著による文献「モレキユラー・
ビーム・エピタキシー・アンド・ヘテロストラク
チヤーズ(Molecular Beam Epitaxy and
Heterostructures)」の293頁〜331頁に記載され
ている如く、砒化ガリウムとゲルマニウムはほと
んど格子間隔が等しく、砒化ガリウム上にゲルマ
ニウムがエピタキシヤル成長する。エピタキシヤ
ル成長したゲルマニウムは、砒化ガリウム中の砒
素が内部拡散するため、通常n型にドープされ
る。
上記ゲルマニウム上に高濃度のp型にドープさ
れたシリコンとゲルマニムウの混晶を前記臨界膜
厚以下にエピタキシヤル成長させ、その上にシヨ
ツトキ接合する金属をつけることで、前記ゲルマ
ニウム層中の、前記シリコンとゲルマニウムの
混、晶との界面部分に縮退した正孔ガスが蓄積す
る。したがつて該正孔ガスと電気的にコンタクト
するソース電極とドレイン電極を設ければpチヤ
ンネル電界効果トランジスタが実現できる。ゲル
マニウムの正孔は移動度が室温で1900cm2/V・
secと砒化ガリウムの正孔移動の5倍近くあり、
この移動度の差により砒化ガリウムを能動層とす
るpチヤンネル電界効果トランジスタと比べて約
5倍近くの大きさのgmを有するpチヤンネル電
界効果トランジスタが得られる。
〔実施例〕
以下本発明の実施例を図によつて説明する。
第1図は本発明によるヘテロ構造pチヤンネル
電界効果トランジスタの断面模式図である。図に
おいて、砒化ガリウム基板1の上に砒化ガリウム
層2、ゲルマニウム層10,11、続いて高濃度
のp型にドープされたゲルマニウムとシリコンの
混晶層12をMBE法により順にエピタキシヤル
成長させ、前記ゲルマニウムとシリコンの混晶層
12上にはチタンを材料とするゲート電極5を設
ける。該ゲルマニウム層10は砒化ガリウム1と
の界面付近に砒化ガリウム中の砒素が拡散するこ
とでn型にドープされるが、上方のゲルマニウム
層11は真性半導体となる。前記シリコンとゲル
マニウムの混晶層12はゲート電極5とシヨツト
キ接合を形成し、またゲルマニウム層11とは電
子親和力に差のあるヘテロ接合を形成する。この
結果、第2図のエネルギー・ダイアグラムに示さ
れる如く、前記高濃度のp型にドープされたシリ
コンとゲルマニウムの混晶層12はキヤリアが空
乏化し、シリコンとゲルマニウムの混晶層12に
比べ、電子親和力の大きなゲルマニウム層11中
のヘテロ接合界面付近に縮退した正孔ガス3が形
成される。前記混晶層12の混晶比として50%を
選べば混晶層12とゲルマニウム層11の充満帯
のオフセツト量として0.15eV程度が期待される。
この正孔ガス3と電気的にコンタクトを取るた
め、前記ゲート電極5の左右にボロンをイオン注
入しアニールすることで形成されるp型高濃度領
域13,13′,14,14′を、さらにそれぞれ
の層13,14上にアルミニウムを材料とするソ
ース電極8、ドレイン電極9を設ける。p型高濃
度領域13,13′,14,14′は正孔ガス3と
電気的接触を図るため、p型高濃度シリコン・ゲ
ルマニウム混晶層12を越え、ゲルマニウム層1
1にまでボロンが拡がるようにイオン注入され
る。ソース電極8、ドレイン電極9はp型濃度領
域13,14とオーミツク接触をする。従つて、
シヨツトキ接合を形成するゲート電極5の下のシ
リコン・ゲルマニウム混晶層12は正孔が空乏化
しているが、ソース電極8、ドレイン電極9の下
のイオン注入されたシリコン・ゲルマニウム層1
2からなるp型高濃度領域13,14、ゲルマニ
ウム層11からなるp型高濃度領域13′,1
4′は正孔が空乏化しておらず、ソース電極8、
ドレイン電極9と正孔ガス3はそれぞれp型高濃
度領域13,13′および14,14′を介して正
孔が自由に流れ得る。一方ゲート電極5の電位を
変化させると、ゲート電極下にできる正孔ガスの
面密度が変化し、ソース電極8、ドレイン電極9
間を流れる正孔電流を変化させることが可能とな
り、ゲルマニウムを能動層とする選択ドープ構造
pチヤンネル電界効果トランジスタが得られる。
以上実施例においてはp型高濃度層としてゲル
マニウムとシリコンの混晶層12を用いたが、混
晶比は空間的に一様としても、また積層方向に混
晶比を変化させてもよい。またゲルマニウムとシ
リコンの混晶層12の変わりにシリコン層でも良
い。
〔発明の効果〕
本発明のpチヤンネル電界効果トランジスタに
よれば、正孔移動度の大きなゲルマニウムを能動
層とするため、砒化ガリウムを能動層とするpチ
ヤンネル電界効果トランジスタに比べ、gmが約
5倍近く増大する。この結果、砒化ガリウム基板
上に集積化されるpチヤンネル電界効果トランジ
スタのgmがおよそ140mS/mm程度に増大するこ
とが予想され、同じく、砒化ガリウム基板上に形
成されるnチヤンネル電界効果トランジスタの
gm=218mS/mmと同程度となり、高速、高集積
化が可能なコンプリメンタリ電界効果トランジス
タ回路を実現できる効果を有するものである。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例である砒化ガリウムを
基板とするヘテロ構造電界効果トランジスタの断
面模式図、第2図は第1図の実施例を説明するた
めのエネルギー・ダイアグラム、第3図は従来例
の砒化ガリウムを基板とするpチヤンネル電界効
果トランジスタの断面模式図である。 1……砒化ガリウム基板、2……砒化ガリウム
層、3……正孔ガス、4……p型高濃度砒化アル
ミニウム・ガリウム層、5……ゲート電極、6,
6′,7,7′,13,13′,14,14′……p
型高濃度領域、8……ソース電極、9……ドレイ
ン電極、10,11……ゲルマニウム層、12…
…p型高濃度シリコン・ゲルマニウム混晶層。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 砒化ガリウム基板上に、真性あるいはn型に
    ドープされたゲルマニウム層、p型にドープされ
    たシリコンとゲルマニウムの混晶層またはp型に
    ドープされたシリコン層からなる積層構造を有
    し、前記積層構造に、垂直方向から電界を印加す
    るゲート電極と、前記積層構造の面内方向に正孔
    を注入、排出するソース電極とドレイン電極とを
    形成したことを特徴とするヘテロ構造電界効果ト
    ランジスタ。
JP27132486A 1986-11-13 1986-11-13 ヘテロ構造電界効果トランジスタ Granted JPS63124473A (ja)

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