JPH04186738A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPH04186738A
JPH04186738A JP31400290A JP31400290A JPH04186738A JP H04186738 A JPH04186738 A JP H04186738A JP 31400290 A JP31400290 A JP 31400290A JP 31400290 A JP31400290 A JP 31400290A JP H04186738 A JPH04186738 A JP H04186738A
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JP
Japan
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dimensional
layer
noise
electron
gaas
Prior art date
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Pending
Application number
JP31400290A
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English (en)
Inventor
Akiyoshi Sawada
明美 佐和田
Toshiyuki Usagawa
利幸 宇佐川
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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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、半導体装置に係り、特にHEMT (Hig
hElectron Mobility Transi
stor)  に応用して好適な半導体装置に関するも
のである。
〔従来技術〕
現在、衛星放送や光通信などに高周波数(12GHz程
度)、低ノイズ増幅器としてHEMT(l(igh E
lectron Nobility Transist
orH高移動度トランジスタ)が実用化されている。こ
れは、従来用いられていたGa’As  MESFET
(MetalSemiconductor Field
 Effect 丁ransistoor)の高性能化
素子として位置するものである。従来HEMTがMES
FETに比べてノイズ特性がよいという理由は、単純に
相互コンダクタンスg1がMESFETに比べて大きく
できるからだと説明されてきた。
相互コンダクタンスg、が大きくなる物理的理由は、移
動度がH,EMTでは大きく、シたがって電子ドリフト
速度のピーク速度VFが大きいからであるといわれてい
る。
しかしながら、gm+ ソースゲート容量Cz s、ソ
ースゲート抵抗Rzなどのデバイスパラメータを全く同
一にしたGaAs ME S F E TとG a A
 sHEMTを作成した結果、HEMTの方がノイズ特
性にすぐれていることを見出した。これは、ソースゲー
ト容量CfSのバイアス依存性がHE M T’はME
SFETに比へて弱く (たとえば宇佐用。
三島;二次元電子ガス(2DEG)FETのデバイス特
性解析電子情報通信学会論文誌Cvol、J70−c 
No、5 pp716−7231987年5月参照)、
そのため有効的にCgsが小さく見える効果を取り入れ
てもなおHEMTのノイズ特性はMESFETに比べて
秀でており、説明がつかない問題があった。
〔発明が解決しようとする課題〕
本発明の目的は、非一様的キャリア密度分布を実現する
ことにより、電子の散乱を低次元に抑え、HEMTに比
べ更なる低ノイズ化された半導体素子を提供することに
ある。
〔課題を解決するための手段〕
上記目的は、半導体装置の中で単一の半導体層内に非一
様な密度分布を有する自由キャリアを設けることにより
達成される。
この自由キャリアを半導体層内部に1対の電極により電
界を印加する等によって上記半導体層内部で移動させる
ことにより半導体装置の機能に応じて後述する効果が出
現する。この電極は上記半導体層内部に自由キャリアを
供給する機能を兼ねていてもよい。
また、FET動作を実現するために上記自由キャリアの
移動を制御するための手段を自由キャリアが移動する経
路途中に設けるとよい。この制御するための手段の代表
的形態としては、上記自由キャリアが走行する上記半導
体層内部の経路上に電界を印加するための電極である。
上記半導体層に曲がった空間、例えば周期的な凹凸を設
けることにより、上記非一様分布を実現することができ
る。
・ 〔作用〕 発見者らは、HEMTとMESFETのノイズ特性の違
いを分析解析した結果、従来の仮設とは異なる以下に説
明する一般理論を見出した。まず、電界効果トランジス
タにおいて生じる雑音は、電子がソースからドレインに
流れる古典的電子流線(単純な流体とみなしたときの電
子の流れを示す流線;流体力学のアナロジ−から容易に
定義できる。)からの熱運動によるゆらぎや乱れによる
ずれが物理的原因である。すなわち、これを真性ノイズ
と我々はよぼう。(結晶中の欠陥、ソース・ゲート間の
表面準位等に由来するG a A s材料固有の原因に
より電子の流れが乱されノイズが発生するのは、GaA
s  MESFET、GaAsHEMTに共通するノイ
ズの原因でありいわば寄生ノイズということができる。
)以下、この古典的電子流線からのはずれやゆらぎに着
目する。
HEMTとG a A s M E S F E Tの
ノイズの差は、MESFETの場合この古典的電子線か
ら三次元的にゆらぐのに対し、HEMTの場合二次元的
にしかゆらぐことが出来ないことに本質的に依っている
MESFETは電子の能動層(チャンネル)が3次元的
(バルク的)であり、したがって電子は3次元方向運動
の方向があり、3次元的に(3方向)に散乱されてしま
う。これが古典的電子流線からのゆらぎを3次元的にす
る。一方HEMTにおいてはA Q G a A s 
/ G a A s界面に2次元的に電子が閉じ込めら
れているため、電子の運動方向も主として限定される。
このため、古典的電子流線自身も2次元的になり、上記
へテロ界面にたいして垂直方向のゆらぎが抑制され、古
典的電子流線からのゆらぎはへテロ界面の面内で2次元
(2方向)のみになってしまう。真性ノイズは揺らぎの
自由度に対する対数量で与えられるので3次元方向のノ
イズを1とすると2次元方向のノイズは2/3となる。
これは、3次元ゆらぎの自由度が1033に比例し、2
次元ゆらぎの自由度は、1021に比例することに帰因
する。
ところで、高周波数でのノイズは、電子が散乱され発熱
することにより発生する。
2次元チャンネルを能動層に用いることにより、電子散
乱の自由度を3次元から2次元に小さくしたHEMTに
おいては、この発熱が抑えられ、低ノイズ化が可能にな
ったのであった。
本発明に係る半導体装置の機能を以下に説明する。
第1図(b)に示すようにペテロ界面において二次元構
造であったキャリヤ蓄積層を、波形にしわよせ(C−2
DEG;Corrugated−2DEG) L、三次
元的なキャリア蓄積層構造を持つHEMTを製作する。
第1図(a)は凹凸の周期に対して垂直な方向に電流を
流した時の平面図、同図(b)はそのA−A′断面図で
ある。両図において、11はソース。
12はドレイン電極、13はゲート電極、14はノンド
ープGaAs、15は電子蓄積層、19はノンドープA
 Q G a A s、17は半絶縁性GaAs基板、
16はn、AQGaAs層である。
第2図(a)は、第1図(a)においてBで囲まれた部
分の拡大図である。矢印は、散乱による電子の運動方向
の変化を模式的に示したものであり、第2図(b)にお
ける矢印は、従来のHEMTの場合の電子の運動方向を
示している。同図(a)(b)二つの図の物理的相違を
以下に述べる。
GaAs波形の山の部分には、それ以外の領域に比べて
多くの電子が蓄積するためキャリア密度分布に濃淡が生
ずる。ゲート電圧を負に印加して電子濃度を下げていく
と、電子濃度の薄いところからピンチオフが生じ、電子
濃度の高いところ(波形の山の部分)は実効的に一次元
ガスとみなすことができる。その様子を表したのが第2
図(、)である。矢印は電流の向きであり、電子がフォ
ノン散乱等によってパスを乱されている様子を模式的に
示している。同図(b)は二次元電子ガスを能動層に持
つ従来型HEMTの場合の電流の流れる様子を同様に示
したものである。二つの図を見ると明らかなように、(
a)における電子の運動方向は(b)におけるそれと比
べて、電子の古典的電子流線自身が1次元的になるため
に同様に1次元に抑えられてしまう。したがって、1次
元ゆらぎの自由度が1013程度になることから真性ノ
イズはおよそ1/3になる。こうして、キャリア蓄積層
の構造を1次元細線を並列に並べたような状況が実現で
き、従来のHEMTに比べて低ノイズのトランジスタが
可能となり、発明の課題を解決できる。
〔実施例〕
実施例1 本発明をHEMTに適用した場合の平面図と断面図を第
1図(a)(b)に示す。
半絶縁性GaAs基板17を、He −Cdレーザーの
回折格子像により凹凸をつけ波形を作成した。この時、
波の周期λは0.24μm、波の振幅は0.05μmで
あった。次に基板を洗浄後、MOCVD (有機金属熱
分解)法によりアンドープのGaAs層19を1000
人、アンドープのA QxG al−xA s層(x=
0.3〜0.45) 20を500人、アンドープのG
aAs層14を300人、アンドープのA n XG 
a 、−xA s層(x=0.3)21を20人、Si
を2X10”cm−3含有するn型A Q xG a 
、−xA s層(X=0.3)16を400人、Siを
2X10”cm−’含むn”GaAs層18を1600
人結晶成長した。この時A Q xG a 1−xA 
s層21とGaAs層14とのへテロ界面に電子蓄積層
15が形成される。トランジスタ輻W=250μm、ゲ
ート長Lg=0.2μmとした。本発明のHEMTの特
性を評価し。
12GH2でのノイズ指数は0.3 d Bと従来のF
ETのノイズ指数0゜6dBを大幅に改善できた本実施
例では、n型A QxG a、−xA s層16とアン
ドープのGaAs層14とのへテロ接合界面に形成され
る電子蓄積層15を能動層に用いた。
しかしながら、高性能化するという点では、GaAs層
14(aQQ人)の代わりに、ノンドープGaAs(1
50人)、その上にInxGa、xAs層(x=0.1
5)を150人はさみ、移動度をあげてさらに低ノイズ
のトランジスタを作成しても良い。また、He−Cdレ
ーザによって凹凸構造を作製したがルーリングエンジン
或いはEB(Electron Beam;電子線描画
)によって該周期構造を作製しても良いし、場合によっ
ては周期構造自体を変調させても良い。さらに、A Q
 xGa□−xAsAs層上1上の結晶成長によってで
きる層はL P E (Liquid Phase E
pitaxy;液相成長法)等を用いて平坦化した構造
であっても良い。
〔発明の効果〕
係る周期的凹凸に特徴的性質である非一様的に分布する
キャリアを外部電極で制御することにょリ、1次元能動
層を作製し低ノイズに従って高周波数領域を扱うことが
できるトランジスタを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)及び(b)は1本発明の1実施例に係る半
導体装置を説明するための図であり、グレーティングラ
インに対してソース、トレイン電極を平行に装着した場
合のそれぞれ平面図及び断面図、第2図(a)はその時
の電流の流れる様子を説明するための模式図、第2図(
b)は、従来のHEMTの場合を模式的に表した図であ
る。 11・・・ソース電極、12・・・ドレイン電極、13
・・・ゲート電極、14・・・アンドープGaAs、1
5・・・電子蓄積層、16− n −A Q G a 
A s、l 7 ・・・GaAs基板、18− n、”
A Q yG a 1−yA s層、¥J 1 B (a)

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、半導体層内において自由キャリアが供給される第1
    の層が3次元構造をしており、上記自由キャリアを供給
    する第2の層と上記第1の層の界面エネルギーが異なる
    ことからエネルギーダイアグラムが界面の位置によって
    異なり、このために上記第1の層における上記自由キャ
    リアの分布が自発的に非一様性を有し、 上記自由キャリアの移動を制御するための手段によって
    上記自由キャリアの分布を擬一次元的分布にすることを
    特徴とする半導体装置。
JP31400290A 1990-11-21 1990-11-21 半導体装置 Pending JPH04186738A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2711842A1 (fr) * 1993-10-29 1995-05-05 Mitsubishi Electric Corp Dispositif semiconducteur composé à hétérojonction, notamment un transistor à effet de champ, et son procédé de production.

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2711842A1 (fr) * 1993-10-29 1995-05-05 Mitsubishi Electric Corp Dispositif semiconducteur composé à hétérojonction, notamment un transistor à effet de champ, et son procédé de production.
US5530272A (en) * 1993-10-29 1996-06-25 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha High electron mobility transistor including periodic heterojunction interface

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