JPH04113636A - 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】 ［′！Ｉ４要］ 半導体装置ニ係り、特にＭＥＳＦＥＴ　（Ｈｅｔａ５ｅ
ｎｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｆｉｅｌｄ　Ｅｆｆｅｃｔ　
Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ　）やＨＥＭＴ　（Ｈｉｇｈ　Ｅ
ｌｅｃｔｒｏｎ　Ｎｏｂｉｌｉｔｙ　Ｔｒａｎｓ＋５ｔ
ｏｒ　）に代表される化合物半導体素子を用いた集積回
路に間し、 室温、低温を問わす広い温変範囲でサイドゲート効果の
発生を抑制し、高密度化、高集積化を実現することがで
きる半導体装置を提供することを目的とし、 電子捕獲型の深い準位を含む半導体基板と、前記半導体
基板中に形成され、キャリアの走行する動作層と、前記
半導体基板に、前記電子捕獲型の深い準位から正孔を励
起する確率よりも大きな確率で電子を励起する光を照射
する光照射手段とを有するように構成する。

また、基板と、前記基板上に形成され、電子捕獲型の深
い準位を含むエピタキシャル層と、前記エピタキシャル
層上に形成され、キャリアの走行する動作層と、前記エ
ピタキシャル層に、前記電子捕獲型の深い準位から正孔
を励起する確率よりも大きな確率で電子を励起する光を
照射する光照射手段とを有するようにｉｆｇ成する。

１産業上の利用分野］ 本発明は半導体装置に係り、特にＭＥＳＦＥＴ（Ｍｅｔ
ａｌ　５ｅｎｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｆｉｅｌｄ　Ｅｆ
ｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔ。

ｒ）やＨＥＭＴ　（旧ｇｈ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｎｏｂ
ｉｌｉｔｙ　Ｔｒａｎｓｓｔｏｒ　）に代表される化合
物半導体素子を用いた集積回路に関する。

；従来の技術１ 近年、主にスーパーコンピュータへの搭載を目的として
、シリコン集積回路の特性を上回ると期待される化合物
半導体集積回路の開発が進められている。しかし、化合
物半導体素子の集積腐が高くなるにつれて、サイドゲー
ト効果と呼ばれる素子間の干渉効果が問題となってきた
。このサイドゲート効果とは、ある素子にシグナルか入
力される、特に負の電圧か印加されると、近接する素子
の閾＠電圧等の特性が変化する現象である。このサイド
ゲート効果は、素子分離距離が小さくなるにつれて大き
くなるため、化合物半導体集積回路の高集積化に対する
大きな障害となっている。

そこで、以下に述べるような化合物半導体装置が提案さ
れている。

なお、化合物半導体素子は、大きく分けると、現在市販
されているＧａＡｓ　　ＭＥＳＦＥＴのようにＧａＡｓ
基板中にキャリアが走行する動作層が形成されている場
合と、ＨＥＭＴやＤＭＴ（Ｄ。

ｐｅｄ　ｃｈａｎｎｅｌ　Ｈｌｓ　ＦＥＴ　）やＳ　Ｉ
　５ＦＥＴ　（Ｓｅ１ｉｃ。

ｎｄｕｃｔｏｒ−１ｎｓｕｌａｔｏｒ−３ｅｎｉｃｏｎ
ｄｕｃｔｏｒ　ＦＥＴ　）等のようにＧａＡｓ基板上に
エピタキシャル層が成長され、このエピタキシャル層上
に動作層が形成されている場合とがある。

例えばＨＥ　Ｍ　Ｔの場合、第３図に示されるように、
Ｓ、１．（半絶縁性）ＧａＡｓ基板３２上にＧａＡｓエ
ピタキシャル層３４が形成され、またこのＧａＡｓエピ
タキシャル層３４上に、ｉ型ＧａＡｓキャリア走行層、
ｎ型ＡＪＧａＡｓ電子供給層及びｎ型ＧａＡｓキャップ
層が順に積層された動作層３６か形成されている。そし
てこの動作層３６は、酸素イオンの注入によって形成さ
れた不活性化領域８によって素子分離されており、これ
らの動作層３６上にはソース電極４０ａ、４０ｂ、ドレ
イン電極４２ａ、４２ｂ及びゲート電極４４ａ、４４ｂ
がそれぞれ形成されている。

ここで、サイドゲート効果防止のために、ＧａＡｓＪＣ
ビタキシャル層３４は、ＭＯＣＶＤ　（ＭｅｔａＯｒｇ
ａｎｉｃ　Ｃｈｅｎｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓ
ｉｔｉｏｎ　）法によるエピタキシャル成長の際に酸素
０□を添加することにより、酸素に関係した深い準位、
いわゆるＥＬＯが形成されたものを用いる。

また、例えばＧａＡｓ　　ＭＥＳＦＢＴの場合、第４図
に示されるように、Ｓ、１．ＧａＡｓ基板４６表面に、
選択的にイオン注入され、ｎ型ＧａＡｓキャリア走行層
としての動作層４８が素子分離されて形成されている。

そして素子分離された動作層３６上には、第３図と同様
に、ソース電極４０ａ、４０ｂ、ドレイン電極４２ａ、
４２ｂ及びゲート電極４４ａ、、４４ｂがそれぞれ形成
されている。

ここで、サイドゲート効果防止のために、Ｓ。

Ｔ、ＧａＡｓ基板４６は、ＥＬ２といった格子欠陥を添
加することによって禁制帯中央付近に深い準位が形成さ
れているものを用いる。

サイドゲート効果の生じるメカニズムは、未だ不明な点
もあるが、基本的には次のように理解される。

いよ、第３図又は第４図において、ソース電極４０ａ、
ドレイン電極４２ａ及びゲート電極４４ａを有する素子
に対して、隣接するトレイン電極４２ｂを便宜的にサイ
ドゲート電極とすると、図中の破線で示されるように、
このサイドゲート電極からのリーク電流パスが形成され
ることが考えられる。

次に、第３図又は第４図におけるリーク電流パスに沿っ
たエネルギーバンド図を第５図に示す。

ここで、キャリアか走行する動作層３６．４８を通るパ
スの領域をＡ、この領域Ａを除＜Ｓ、Ｉ。

ＧａＡｓ基板３２及びＧ　ａ　Ａ　ｓエピタキシャル層
３４スはＳ、１．ＧａＡｓ基板４６を通るパスの領域を
Ｂとすると、サイドゲート効果か生じるか否かは、サイ
ドゲート電極に電圧をかけた場合に、領域Ｂに電圧がど
のようにかかるかによって決定される。

第５図（ａ）に示されるように、この領域Ｂに十分な濃
度の電子捕獲準位かあると、この電子捕獲準位を介して
オーミック性の電流が流れる。このため、サイドゲート
電極としてのドレイン電極４２ｂに印加される電圧は、
動作層３６．４８からなる領域Ａとトレイン電極４２ｂ
との間の領域Ｂに直線的にかかることになる。従って、
領域Ａにおいて走行する電子５０の量に影響することは
ない。

しかし、更にドレイン電極４２ｂに印加される電圧が増
加すると、電子捕獲準位か全て電子で埋まってしまい、
領域Ｂにおいては電圧降下か生じなくなるため、第５図
（ｂ）に示されるように、領域Ａの中にも電圧かかかる
ことになり、動作層３６．４８において走行する電子５
０の量を減少させる。このため、ソース・ドレイン間に
流れるドレイン電流ＩＯが減少する。これがサイドゲー
ト効果である。

従って、サイドゲート効果防止のために、電子を捕獲す
る電子捕獲準位を十分な濃度にまで増加させてやればよ
く、前述のように、電子捕獲型の深い準位として働く酸
素に関係した深い準ＥＬＯが形成されたＧａＡｓエピタ
キシャル層３４や、同じく電子捕獲型の深い準位である
ＥＬ２が形成されているＳ、１．ＧａＡｓ基板４６を用
いればよい。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記のように電子捕獲型の深い準位とし
て働く酸素に関係した深い準ＥＬＯが形成されたＧａＡ
ｓエピタキシャル層３４や電子捕獲型の深い準位である
ＥＬ２が形成されているＳｌ、ＧａＡｓ基板４６を用い
たＨＥＭＴやＭＥＳＦＥＴは、０°Ｃ〜１００℃のいわ
ゆる室温においである程度のサイドゲート効果を抑制す
ることができるが、動作温度が０℃以下の低温になると
、再び大きなサイドゲート効果が発生するという問題か
あった。

このように０℃以下の低温においてサイドゲート効果の
発生する原因としては、次のようなことが考えられる。

即ち、ＥＬ２やＥＬＯ等の深い電子捕獲準位に一旦捕獲
された電子は、低温においてはその電子捕獲準位から再
び放出される率が著しく減少する。

このため、殆ど全ての電子捕獲準位が既に電子を捕獲し
た状態になってしまう。従って、低温の場合と比べて小
さい印加電圧によってサイドゲート効果が発生してしま
う。

特にＨＥＭＴの場合、周知のように、低温において動作
させることによってそのデバイス性能を著しく向上させ
ることができる素子であるため、このような低温におけ
るサイドゲート効果の発生は、ＨＥＭＴ集積回路の高集
積化に対する大きな障害となっている。

そこで本発明は、室温、低温を問わず広い温度範囲でサ
イドゲート効果の発生を抑制し、高密度化、高集積化を
実現することができる半導体装置を提供することを目的
とする。

［課題を解決するための手段］ 上記課題は、電子捕獲型の深い準位を含む半導体基板と
、前記半導体基板中に形成され、キャリアの走行する動
作層と、前記半導体基板に、前記電子捕獲型の深い準位
がら正孔を励起する確率よりも大きな確率で電子を励起
する光を照射する光照射手段とを有することを特徴とす
る半導体装置によって達成される。

また、基板と、前記基板上に形成され、電子捕獲型の深
い準位を含むエピタキシャル層と、前記エピタキシャル
層上に形成され、キャリアの走行する動作層と、前記エ
ピタキシャル層に、前記電子捕獲型の深い準位がら正孔
を励起する確率よりも大きな確率で電子を励起する光を
照射する光照射手段とを有することを特徴とする半導体
装置によって達成される。

また、上記装置において、前記光照射手段が、前記半導
体基板裏面又は前記エピタキシャル層裏面から光を照射
することを特徴とする半導体装置によって達成される。

また、上記装置において、前記半導体基板又は前記エピ
タキシャル層か、ＧａＡｓからなり、前記光照射手段が
前記半導体基板又は前記エピタキシャル層に照射する光
の波長が、０．９μｍ〜１１μｍであることを特徴とす
る半導体装置によって達成される。

［作　用］ 本発明は以上のように構成されているため、キャリアの
走行する動作層の下に電子捕獲型の深い準位を有する半
導体基板又はエピタキシャル層を設けもと共に、この半
導体基板又はエピタキシャル層に光照射手段によって光
を照射し、電子捕獲型の深い準位から正孔を励起する確
率よりも大きな確率で電子を励起することにより、低温
においても、常に電子捕獲型の深い準位から電子を強制
的に放出することができる。

従って、隣接するサイドゲート電極がらの電圧を電子捕
獲型の深い準位を含む半導体基板又はエピタキシャル層
において降下させることができ、室温、低温のいずれに
おいても、サイドゲート効果の発生を抑制することがで
きる。

［実施例コ 以下、本発明を図示する実施例に基づいて具体的に説明
する。

第１図（ａ）は本発明の一実施例によるＨ　Ｅ　ＭＴを
示す断面図、第１図（ｂ）はそのＨＥＭＴを実装した半
導体装置示す概略図である。

第１図（ａ）において、Ｓ、１．ＧａＡｓ基板２上に、
ＧａＡｓエピタキシャル層４が形成されている。そして
このＧａＡｓエピタキシャル層４上に、ｉ型ＧａＡｓキ
ャリア走行層、ｎ型、ｌＧａＡｓ電子供給層及びｎ型Ｇ
ａＡｓキャップ層が順に積層された動作層６が形成され
ている。この動作層６表面には、酸素イオンの注入によ
ってＳ。

１、ＧａＡｓ基板２にまで達する不活性化領域８が形成
され、動作Ｎ６を素子分離している。そして不活性化領
域８によって素子分離された動作層６上には、ソース電
極１０ａ、ドレイン電極１２ａ、ゲート電極１４ａ及び
ソース電極１０ｂ、ドレイン電極１２ｂ及びゲート電Ｉ
＃１１４ｂがそれぞれ隣接されて形成されている。

このＨＥＭＴか、第１図（ｂ）に示されるように、フリ
ッズチッ１方式によってセラミック基板１６上に実装さ
れている。即ち、ＨＥＭＴの動作層６上の配線層が、セ
ラミック基板１６上に形成された配線層１８にハンダバ
ンプ２０を介して接続されている。そしてＨＥＭＴｃｒ
）Ｓ、Ｉ　、ＧａＡｓ１板２裏面側には、光源２２と光
ファイバ２４を介して接続する光照射部２６か設けられ
、Ｓ。

Ｉ　、　Ｇ　ａ　Ａ　Ｓ基板２裏面上に形成した赤外線
バンドパスフィルタ２８を通してＳ、１．ＧａＡｓ基板
２中に光を入射するようになっている５本発明者は、ソ
ース電極１０　ａ、ドレイン電極１２ａ及びゲート電％
　１４　ａを有する素子に対して、隣接するドレイン＠
ｆ！１２ｂを便宜的にサイドゲート電極とすると共に、
Ｓ、１．ＧａＡｓ基板２の種類及び光照射部２６から赤
外線バンドパスフィルタ２８を通して入射する光の波長
を変化させて、温度７７Ｋにおけるサイドゲート効果の
変動を調査した。

現在、市販品で入手可能なＧａＡｓ基板には、ＨＢ　（
Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　Ｂｒｉｄｇｅｎａｎ）法を用い
たＣｒドープＳ、１．ＧａＡｓ基板と、ＬＥＣ（Ｌｉｑ
ｕｉｄ　Ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄ　Ｃｚｏｃｈｒａｌ
ｓｋｉ　）法を用いたＣｒドープＳ、１．ＧａＡｓ基板
と、ＬＥＣ法を用いたノンドープＳ、１．ＧａＡｓ基板
との３種類がある。

これら３種類を第１図に示すＧａＡｓ基板２として用い
て実験したところ、サイドゲート効果の抑制が観測され
たのは、ＥＬ２を含むＬＥＣノンドープＳ、Ｌ、ＧａＡ
ｓ基板を用いた場合だけであった。

これは、ＣｒもＥＬ２も共に禁制帯中央付近に深い不＃
ｔＡ物準位を形成するが、、Ｃｒが正孔捕獲型であるの
に対して、ＥＬ２が電子捕獲型であることに起因すると
考えられる。即ち、Ｓ、１．ＧａＡｓ基板２には、正孔
捕獲準位よりも電子捕獲準位が多く含まれることが必要
である。

次いで、このＥＬ２を含むＬＥＣノンドープＳ。

１、ＧａＡｓ基板を第１図に示すＧａＡｓ基板２として
用い、この基板を照射する光の波長を変化させた場合の
サイドゲート効果の影響を調べると、第２図のグラフに
示すような結果を得た。

まず、光を照射させない通常の場合、グラフ中の破線で
示されるように、サイドゲート電圧ＶＢ□が−１，８ｖ
まではソース電極１０ａとドレイン電極１２ａとの間に
流れるドレイン電流ＩＤは、１．１ｍＡと一定値を保っ
ているが、サイドゲート電圧Ｖｓｏが−１，８ｖよりも
負の側に大きくなると、ドレイン電流Ｉｏは急激に減少
する。即ち、サイドゲート効果が発生する。従ってこの
ときのサイドゲート耐圧は−１，８ｖである。

続いて、赤外線バンドパスフィルタ２８として波長１μ
ｍの光を透過させるものを用いて、光照射部２６からＳ
、１．ＧａＡｓ基板２中に光を入射した場合、グラフ中
の実線で示されるように、そのサイドゲート耐圧は一４
■となった。即ち、明らかにサイドゲート効果が抑制さ
れた。

これは、Ｓ、１．ＧａＡｓ基板２へ波長１μｍの光を入
射して、Ｓ、１．ＧａＡｓ基板２中のＥＬ２という電子
捕獲型の深い準位から正孔を励起する確率よりも大きな
確率で強制的に電子を励起、放出させることにより、７
７にという低温においても、隣接するサイドゲート電極
としてのドレイン電極１２ｂからの電圧をＳ、１．Ｇａ
Ａｓ基板２において降下させることができるためであろ
う。

ところが、Ｓ、１．ＧａＡｓ基板２中に入射する光の波
長を１μｍから０．８μｍに変えると、グラフ中の一点
鎖線で示されるように、そのサイドゲート耐圧は大きく
劣化して、光を照射しない場合よりも悪くなった。

これは、波長０．８μｍの入射光のエネルギーがＳ、１
．ＧａＡｓ基板２のバンドギャップエネルギーよりも大
きいため、禁制帯において生成される電子−正孔対がＥ
Ｌ２の準位を埋めてしまい、電子捕獲型の深い準位とし
ての機能か働かなくなるためと考えられる。

このように本実施例によれば、Ｉ（Ｅ　Ｍ　ＴのＧａＡ
ｓ基板２としてＥＬ２を含むＬＥＣノンドープＳ、１．
ＧａＡｓ基板を用い、このＳ、１．ＧａＡｓ基板２の裏
面から波長１μｍの光を入射することにより、７７にと
いう低温においても、サイドゲート効果の発生を抑制す
ることができる。

なお、上記実施例においては、光照射部２６がら赤外線
バンドパスフィルタ２８を通してＳ、Ｉ。

ＧａＡｓ基板２中に入射する光の波長は１μｍとなって
いるが、少なくとも０．９〜１，１μｍの波長帯におい
ては同様の効果を奏することができる。

また、光照射手段としては光源２２、光ファイバ２４及
び光照射部２６からなる光学系を用いているが、例えば
ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰを用いた赤外ＩＬＥＤ　（Ｌｉ
ｇｈｔ　Ｅｌｌｉｔｔｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ）を配置して
もよい。

また、上記実施例は、ＥＬ２を含むＬＥＣノンドープＳ
、１．ＧａＡｓ基板を用いてＧａＡｓ基板２中に電子捕
獲型の深い準位が存在する場合について述べたが、Ｇａ
Ａｓエピタキシャル層４中に十分な深さと濃度の電子捕
獲準位を存在させることにしても、同様な効果を得るこ
とができる。

このような電子捕獲準位を有するＧａＡｓエピタキシャ
ル層４は、ＭＯＣＶＤ法によるエピタキシャル成長の際
に酸素０２を添加することにより。

酸素に関係した深い準位ＥＬＯを形成することにより得
ることができる。

また、Ｍ　Ｂ　Ｅ　（Ｍｏ１ｅｃｕｌａｒ　ＢｅａＩＩ
Ｅｐｉｔａｘｙ）法を用いて２００℃程度の低温で成長
することによっても、得ることができる。この場合、通
常のように温度４５０〜６００’Ｃで成長されたＧａＡ
ｓエピタキシャル層と比較すると、Ａｓの組成比がＧａ
の組成比よりも多くなり、従って多くの欠陥が導入され
て、上記準位と同様の準位が形成されている。

このように、ＧａＡｓエピタキシャル層４に電子捕獲準
位を存在させることにした場合、照射光は基板を透過し
てＧａＡｓエピタキシャル層４にまで到達させなければ
ならないため、基板のバンドギャップエネルギーは照射
光のエネルギーよりも大きい必要がある。例えば上記実
施例のように、波長１μｍの照射光を用いる場合、基板
のバンドギャップエネルギーは約１．２ｅＶより大きい
ことが必要である。

更に、上記実施例は、ＨＥＭＴを用いてＧａＡＳ基板２
上にエピタキシャル成長させなＧａＡｓエピタキシャル
層４が形成されている場合について説明したか、ＭＥＳ
ＦＥＴのようにＧａＡｓ基板上に直接に動作層が形成さ
れる場合についても、本発明は同様に適用することがで
きる。

［発明の効果］ 以上のように本発明によれば、キャリアの走行する動作
層の下に、電子捕獲型の深い準位を含む半導体基板又は
エピタキシャル層を有していると共に、この半導体基板
又はエピタキシャル層に光を照射する光照射手段を有し
ているため、この照射光によって半導体基板又はエピタ
キシャル層の電子捕獲型の深い準位から正孔を励起する
確率よりも大きな確率で電子を強制的に励起、放出する
ことができることにより、隣接するサイドゲート電極か
らの電圧を電子捕獲型の深い準位を含む半導体基板又は
エピタキシャル層において降下させることができる。

このことにより、室温、低温を問わず広い温度範囲でサ
イドゲート効果の発生を抑制することができ、従って素
子の高密度化、高集積化を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による半導体装置を示す図、 第２図は第１図に示す半導体装置の特性を説明するため
のグラフ、 第３図及び第４図はそれぞれ従来の半導体装置を示す断
面図、 第５図は従来の半導体装置の動作を説明するためのエネ
ルギーバンド図である。 図において、 ２．３２．４６−−−−−−Ｓ、Ｉ　、ＧａＡｓ基板、
４．３４・・・・・・ＧａＡｓエピタキシャル層、６．
３６．４８・・・・・・動作層、 ８．３８・・・・・・不活性化領域、 １０ａ、１０ｂ、４０ａ、４０　ｂ　−−−−−−ソー
ス電極、 １２ａ、１２ｂ、４２ａ、４２　ｂ　−・−−−−ドレ
イン電極、 １４ａ、１４ｂ、４４ａ、４４　ｂ−・−・ゲート電極
、 １６・・・・・・セラミック基板、 １８・・・・・・配線層、 ２０・・・・・・ハンタバンプ、 ２２・・・・・・光源、 ２４・・・・・・光ファイバ ２６・・・・・・光照射部、 ２８・・・・・・赤外線バンドパスフィルタ、５０・・
・・・・電子。 本弁明の 実施例による手導体荻直を承引ス 第１図に示す牛導俸校石の特性を説明するためのグラフ
第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、電子捕獲型の深い準位を含む半導体基板と、 前記半導体基板中に形成され、キャリアの走行する動作
   層と、 前記半導体基板に、前記電子捕獲型の深い準位から正孔
   を励起する確率よりも大きな確率で電子を励起する光を
   照射する光照射手段と を有することを特徴とする半導体装置。 ２、基板と、 前記基板上に形成され、電子捕獲型の深い準位を含むエ
   ピタキシャル層と、 前記エピタキシャル層上に形成され、キャリアの走行す
   る動作層と、 前記エピタキシャル層に、前記電子捕獲型の深い準位か
   ら正孔を励起する確率よりも大きな確率で電子を励起す
   る光を照射する光照射手段とを有することを特徴とする
   半導体装置。 ３、請求項１又は２記載の装置において、 前記光照射手段が、前記半導体基板裏面又は前記エピタ
   キシャル層裏面から光を照射する ことを特徴とする半導体装置。 ４、請求項１乃至３のいずれかに記載の装置において、 前記半導体基板又は前記エピタキシャル層が、ＧａＡｓ
   からなり、 前記光照射手段が前記半導体基板又は前記エピタキシャ
   ル層に照射する光の波長が、０．９μｍ〜１．１μｍで
   ある ことを特徴とする半導体装置。