JPH04186849A - Enhancement type heterojunction field-effect transistor and manufacture thereof - Google Patents

Enhancement type heterojunction field-effect transistor and manufacture thereof

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JPH04186849A
JPH04186849A JP31427590A JP31427590A JPH04186849A JP H04186849 A JPH04186849 A JP H04186849A JP 31427590 A JP31427590 A JP 31427590A JP 31427590 A JP31427590 A JP 31427590A JP H04186849 A JPH04186849 A JP H04186849A
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JP
Japan
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layer
semiconductor layer
effect transistor
channel
enhancement type
Prior art date
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Pending
Application number
JP31427590A
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Japanese (ja)
Inventor
Takuma Tanimoto
谷本 琢磨
Masao Yamane
正雄 山根
Shigeo Goshima
五島 滋雄
Yoko Uchida
陽子 内田
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To reduce source resistance and obtain a stably operating E-FET, by a method wherein a second semiconductor layer in contact with the same side as a gate electrode of a first semiconductor layer with which the gate electrode is in contact is provided, and third semiconductor layers of ohmic junction which have source and drain electrodes on the second semiconductor layer are provided. CONSTITUTION:In an enhancement type heterojunction field-effect transistor, a second semiconductor layer 9 in contact with the same side as a gate electrode 15 of first semiconductor layers 8-2 with which the gate electrode 15 is in contact is provided, and third semiconductor layers 10-12 of ohmic junction which have a source electrode 13 and a drain electrode 14 are provided on the second semiconductor layer 9. For example, semiconductor layers 2-12 and an SiO2 film 16 are formed on a semi-insulating GaAs substrate 1; a hole is opened in a P<+>-GaAs cap layer 12; thereon a source electrode 13 and a drain electrode 14 are formed; a gate pattern is formed, and etching is performed as far as this side of an undoped AlGaAs layer 8; after Al is evaporated, a gate electrode 15 is formed by lifting-off.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention] 【産業上の利用分野】[Industrial application field]

本発明は、エピタキシャル成長により作製されるヘテロ
接合電界効果トランジスタに係り、特にデジタル回路に
有効なエンハンスメント型電界効果トランジスタに関す
る。
The present invention relates to a heterojunction field effect transistor manufactured by epitaxial growth, and particularly to an enhancement type field effect transistor that is effective for digital circuits.

【従来の技術1 エピタキシャル成長により作製されるFET(Fie]
、d Effect Transister;電界効果
トランジスタの略称)としては、ソース電極、ドレイン
電極、及びゲート電極は、同じエピタキシャル層の上に
取付けられているか、若しくは例えば特開昭63−60
570号公報に記載のように、ソース抵抗を低減させる
目的で作製された厚膜キャップ層を介したソース電極と
ドレイン電極とが同しエピタキシャル層の上に取付けら
れている構造をとっていた。 また、PチャンネルFETにおける低抵抗化については
、例えばアイ・イー・イー・イー トランスアクション
オンエレクトロンデバイシーズ、ED−34巻(198
7年)1889頁[IEEE Transaction
 onElectron Devices、34(19
87)1889)記載のように、M I S (Met
al−Insulater−5emiconducto
rの略称)FETにおいて、イオン注入によりおこなわ
れていた。 【発明が解決しようとする課題】 ヘテロ接合エンハンスメント型(Enhancemen
t)FET(以下、E−FETと略称〕が正常に動作す
るためには、ゲートに電圧を印加しないときに、少なく
ともゲート直下のチャンネル層が空乏化していなければ
ならない。一方、ゲート電圧印加時にはゲート直下のみ
ならず、ソース、ドレイン電極の下まで、十分なキャリ
ア密度が必要である。 しかるに、E−FETとしては、ゲートと他の電極との
間にゲートと同一の半導体構造をもつ領域を持つと、ソ
ース抵抗及びドレイン抵抗が大きくなり、十分な動作が
できなかった。 また、PチャンネルFETを高性能化する目的でInG
aAs歪み層チャンネルを用いたヘテロ接合素子では、
上記アイ・イー・イー・イー トランスアクションオン
エレクトロンデバイシーズ記載のようなイオン注入では
、不純物の活性化のためのアニールにより、InGaA
s層の特性を劣化させる等の問題点があった。これを解
決するために、上記特開昭63−60570号公報に記
載のようなNチャンネルHE M T (High E
lectron Mobilty Transiste
r)での厚膜化キャップ層の方法では、D−FET(D
ipletion F E Tの略)を念頭においてい
るので、E−FETには適用できなかった。 したがって、本発明の目的は、上記従来の問題点を解消
することにあり、その第1の目的はFETの性能に大き
く寄与するソース抵抗を低減し、安定動作するE−FE
Tを提供することにあり、第2の目的は上記E−FET
を容易に実現し得る製造方法を提供することにある。 [課題を解決するための手段] 上記第1の目的は、エンハンスメント型ヘテロ接合電界
効果トランジスタにおいて、ゲート電極が接している第
1の半導体層にゲート電極と同じ側に接触した第2の半
導体層を有し、かつ前記第2の半導体層上に、ソース及
びドレイン電極を具備したオーミック接合の第3の半導
体層を有して成るエンハンスメント型ヘテロ接合電界効
果トランジスタにより、達成される。 そして、上記第2の目的は、エンハンスメント型ヘテロ
接合電界効果1−ランジスタの製造方法において、第1
の半導体層上に、第2の半導体層としてチャンネル層が
Nチャンネルのときには、n−−GaAs層を、Pチャ
ンネルのときには、p−GaAsを積層させ、ゲート直
下のみこの第2の半導体層をエツチング除去して、露出
された第1の半導体層上にゲート電極を形成し、前記第
2の半導体層上に第3の半導体層として厚膜化したキャ
ップ層を形成し、このキャップ層に半埋込み状態でソー
ス及びドレイン電極を形成して成るエンハンスメント型
ヘテロ接合電界効果トランジスタの製造方法により、達
成される。 [作用] E−FETは、ゲートに電圧を印加しないときにはソー
ス、ドレイン間に電流が流れないという必要がある。こ
のため、少なくともゲート直下のチャンネル部分のキャ
リア密度が小さくなる必要がある。例えば、Pチャンネ
ルHE M T (HighElectron Mob
ility Transister ;キャリアがホー
ルであるが、便宜的にこう呼ぶ。)の場合について以下
、考察する。 第2図は、ゲート15直下の、電子に対するバンド構造
を表わしたものである。図示の如<InGaAs層5の
中の、A I G a A s層6.7.8に一番近い
部分(以下、この部分をチャンイ・ルと呼ぶ)のエネル
ギーは、フェルミエネルギー(]00で表示)よりも低
くなっている。このため、電圧を印加しないときには、
ホールはソースからドレインに流れることができない。 すなわち、ソース、ドレイン間はオフ状態である。もし
もソース、ドレイン電極直下のバンド構造がゲート電極
直下と同様ならば、ゲートに電圧を印加した時でもソー
ス、ドレイン直下のチャンネルにはホールがたまってお
らず、オフ状態のままとなり、FETとして動作しない
。 ここで、ソース、あるいはドレイン電極直下のバンド構
造が第3図のようになるとき(この図ではソース電極1
3直下を表示した)、第2の半導体層となるp−−Ga
As層9を第1の半導体層の層8とソース電極13との
間に挾んでいるため、同しく第1の半導体層の一つであ
るp−AlGaAs層7以下の領域のエネルギーは図示
の如く第2図のものより上昇し、このため斜線で表示し
たチャンネル部分のエネルギーは、フェルミエネルギー
100よりも高くなる。その結果、電圧を印加しなくと
も、伝導に寄与し得るホールがチャンネル中に存在する
ことになる。電圧印加時には、第4図のように、ゲート
15直下の部分でもチャンネルにホールがたまり、ソー
スとドレイン間はオン状態となる。このような機構で、
E−FETが安定に動作する。 ところが、このような第2の半導体層9を挾むことによ
り、ソース抵抗が高くなる。このため、ソース13及び
ドレイン14電極直下に第3の半導体層の一つとして厚
膜化した高濃度トープ層をキャップ層として配設し、こ
れに各電極を半埋込にした構造を取ることにより、ソー
ス抵抗を低減することができる。
[Conventional technology 1 FET (Fie) manufactured by epitaxial growth
, dEffect Transistor (abbreviation for field effect transistor), the source electrode, drain electrode, and gate electrode are attached on the same epitaxial layer, or as described in, for example, JP-A-63-60
As described in Japanese Patent No. 570, a structure was adopted in which a source electrode and a drain electrode were attached on the same epitaxial layer with a thick film cap layer formed for the purpose of reducing source resistance interposed therebetween. Regarding the reduction of resistance in P-channel FET, for example, IE Transaction on Electron Devices, Vol. ED-34 (198
7) page 1889 [IEEE Transaction
onElectron Devices, 34 (19
87) As described in 1889), M I S (Met
al-Insulator-5emiconducto
(abbreviation for r) FET, this was done by ion implantation. [Problem to be solved by the invention] Heterozygous enhancement type
t) In order for an FET (hereinafter abbreviated as E-FET) to operate normally, at least the channel layer directly under the gate must be depleted when no voltage is applied to the gate.On the other hand, when a gate voltage is applied, the channel layer must be depleted. Sufficient carrier density is required not only directly under the gate but also under the source and drain electrodes.However, as an E-FET, a region with the same semiconductor structure as the gate is required between the gate and other electrodes. If the P-channel FET is
In a heterojunction device using an aAs strained layer channel,
In ion implantation as described in the above IE Transaction on Electron Devices, InGaA
There were problems such as deterioration of the characteristics of the s-layer. In order to solve this problem, an N-channel HEMT (High E
lectron Mobility Transiste
In the method of thickening the cap layer in r), D-FET (D
(abbreviation of ippletion FET), it could not be applied to E-FET. Therefore, it is an object of the present invention to solve the above-mentioned conventional problems, and the first object is to reduce the source resistance, which greatly contributes to the performance of FET, and to improve stable operation of the E-FE.
The second purpose is to provide the above E-FET
An object of the present invention is to provide a manufacturing method that can easily realize the following. [Means for Solving the Problems] The first object is to provide an enhancement type heterojunction field effect transistor in which a first semiconductor layer in contact with a gate electrode is provided with a second semiconductor layer in contact with the same side as the gate electrode. This is achieved by an enhancement type heterojunction field effect transistor having an ohmic junction third semiconductor layer having source and drain electrodes on the second semiconductor layer. The second object is to provide a method for manufacturing an enhancement type heterojunction field effect transistor.
When the channel layer is an N channel, an n--GaAs layer is stacked on the semiconductor layer, and when the channel layer is a P-channel, a p-GaAs layer is stacked as the second semiconductor layer, and this second semiconductor layer is etched only directly below the gate. A gate electrode is formed on the removed and exposed first semiconductor layer, a thickened cap layer is formed as a third semiconductor layer on the second semiconductor layer, and a third semiconductor layer is partially buried in the cap layer. This is achieved by a method for manufacturing an enhancement type heterojunction field effect transistor in which source and drain electrodes are formed in the same state. [Function] The E-FET requires that no current flow between the source and drain when no voltage is applied to the gate. For this reason, the carrier density at least in the channel portion directly under the gate needs to be reduced. For example, P channel HE M T (High Electron Mob
Although the carrier is a hole, it is called this for convenience. ) will be considered below. FIG. 2 shows the band structure for electrons directly below the gate 15. As shown in the figure, the energy of the part of the InGaAs layer 5 closest to the AIGaAs layer 6.7.8 (hereinafter referred to as the channel) is the Fermi energy (]00. display). Therefore, when no voltage is applied,
Holes cannot flow from source to drain. That is, the region between the source and drain is in an off state. If the band structure directly below the source and drain electrodes is the same as that directly below the gate electrode, even when a voltage is applied to the gate, holes will not accumulate in the channel directly below the source and drain, and it will remain in an off state, operating as a FET. do not. Here, when the band structure directly under the source or drain electrode becomes as shown in Figure 3 (in this figure, the source electrode 1
3), p--Ga which becomes the second semiconductor layer
Since the As layer 9 is sandwiched between the first semiconductor layer 8 and the source electrode 13, the energy in the region below the p-AlGaAs layer 7, which is also one of the first semiconductor layers, is as shown in the figure. Therefore, the energy of the channel portion indicated by diagonal lines is higher than the Fermi energy of 100. As a result, there are holes in the channel that can contribute to conduction even when no voltage is applied. When a voltage is applied, holes are accumulated in the channel even in a portion directly below the gate 15, and the region between the source and drain is turned on, as shown in FIG. With such a mechanism,
E-FET operates stably. However, by sandwiching such a second semiconductor layer 9, the source resistance increases. For this reason, a thick high-concentration dope layer as one of the third semiconductor layers is provided as a cap layer directly under the source 13 and drain 14 electrodes, and each electrode is semi-buried in this structure. Accordingly, the source resistance can be reduced.

【実施例】【Example】

以下に本発明の一実施例を図面を用いて具体的に説明す
る。 実施例1゜ 第1図は、本発明のヘテロ接合電界効果トランジスタ(
HE M T構造)におけるPチャンネルE−FETの
断面構造図を示したものである。以下、製造工程にした
がって順次説明する。 まず、半絶縁性GaAs基板上1に、MBE(分子線エ
ピタキシー)装置により基板温度650°Cの条件のも
とでアンドープGaAsN(厚さ:0.3pm) 2 
、アンドープA I XG a l XA S M (
X”0.45,0.:bm) 3、アンドープG a 
A s 溜(50nm)4、アンドープI nyGai
yAs層(y=0.2+20 nm)5、アンドープA
 1 xG a 、 XA S層(x=0.45.2−
10 nm)6、p−AlxGa、xAs層(x二0.
45.濃度:]、5X10”/cm2,25nm) 7
、アンドープA I XG a 、 xA s層(x=
0.45.15 nm) 8、p−GaAs層(30n
m)9、アンドープA1.Ga1−As層(x=0.4
5,3 nm)10、アンドープGaAs層(50nm
)11を成長させ、最後に基板温度を500℃で、キャ
ップ層としてのp  −GaAs層(濃度:3X]O”
cm/2,160nm) ’J、 2を堆積させる。な
お、上記構成において、層8以下が第1の半導体層、層
9が第2の半導体層、層10〜12が第3の半導体層を
構成する。 アンドープA I G a A s N 6は、P型A
IGaA s M7の中のP型不純物原子(Be)がチ
ャンネル層5へ拡散するのを抑える層であり、通常2〜
10nmが適当である。また、第1の半導体層となるア
ンドープAlGaAs層8は、ゲート15に接する層で
あり、ゲートリーク電流を抑えるために設けである。 次に、メサエッチによりソース、ドレイン形成のための
素子間分離を行なったあと、CVD法によりS i O
2膜(厚さ:300nm) 16を形成し、通常のホト
リソグラフィー・プロセスによりソース電極]3及びド
レイン電極14のための孔を形成する。この孔の表面の
S〕02膜16膜上6イエラ+ チにより削り、引き続きp   GaAsキャップ層1
2を40 nm程度ウェットエッチにより孔あけする。 この際、キャップ/1112の厚さが160nm程度の
場合には、30nrn程度以上のエツチングにより低抵
抗化の効果が現われ、40〜50nmが実用的に最も好
ましいエツチング深さとなる。さらに、Si○2膜16
膜中6ットエッチによりサイドエッチさせて、リフトオ
ンし易い形状にする。 この上にA u / M o /へu Z n / M
 o / A uを蒸着し、熱処理(400℃、2分)
を行ない、ソース電極13及びドレイン電極14を形成
する。さらに、EB(電子線)描画法を用いて、ゲート
パターンを形成する。 その際に、p  −GaAsキャップ層12は、CCl
2F2/He系選択性トライエッチにより制御性よくア
ンドープAlGaAs層10の手前までエツチング除去
するために設けてあり、さらにゲート電極15がp  
−GaAsキャップ112に接しないようにするため、
p  −GaAsキャップ層12をサイドエッチし、0
.05〜0 、1 llIn程度のすき間17を設け、
かつ、アンドープAIG a A s F@ 10及び
p  −GaAsJii9をエツチングした。この工程
は、耐圧を大きくとるために必要である。さらに、CC
I、F2/He系選択性トライエッチにより、制御性よ
くアンドープAIG a A s層8の手前までエツチ
ング除去した。この第1の半導体層となるアンドープA
lGaAs層8は、第2の半導体層9を選択的に制御性
よくドライエッチするに際し、エツチングストッパの役
割をも果たしている。さらに、A1を蒸着した後、リフ
トオフすることにより、ゲート長0.1μm、ゲート幅
50μmのゲート電極15を形成した。このようにして
第1図に示した構造のPチャンネルE−FETを実現し
た。 本実施例によるE−FETは、耐圧二6v、相互コンダ
クタンスga: 203rnS/mrn、ソー□ス抵抗
Rs: 7.0Ω・mm、に値3 、3 m S / 
V ・10μmと高性能を示した。なお、第5図には、
ソース13、ドレイン14電極をキャップ層12へ埋め
込む際の埋込み深さと、ソース抵抗R5との関係を示し
た。図示のように、埋込み深さ40〜50nmが実用的
に最も好ましくソース抵抗Rsニア、0Ω・mmを示し
ている。また、第6図には、ゲート電圧v6をパラメー
タとしてドレイン電圧とドレイン電流との関係を示した
。図示のようにE−FETとしての良好な特性が得られ
た。 なお、製造工程におけるエピタキシャル結晶成長に際し
ては、ここで使用したMBEの代りに原子層単位で成長
を制御できる装置、例えばMOCVD等を用いても同様
の結果が得られる。また、厚膜化キャップ層12は、例
えばM OCV D選択成長等の手法を用いて、あとか
ら形成してもよい。 また、同キャップN12としては、GaAsに限らず、
例えばInGaAs等のオーミック接触のとりやすい物
質を用いてもよい。また、ゲート直下のアンドープA 
I G a A s層8は、耐圧を小さくしない程度に
、I X 10”/ c m2以下のp−AlGaAs
を用いてもよい。この際、耐圧は少し悪化するが、ソー
ス・ゲート間抵抗Rsは小さくなる。また、この層8が
アンドープまたはp 層の場合、ソース電極13、ゲー
ト電極14との間の領域では、オーミック合金層も浸透
しないため、層厚は15nm以下が望ましい。しかし、
あまり薄すぎても耐圧が小さくなるため、5nm程度は
必要であり、結局、第1の半導体層としてのアンドープ
N8の膜厚は、5〜15nm程度が適切で好ましい。 本実施例では、AlxGalxAs層のAl濃度Xとし
て0.45及びInyGa□yAs層のInli度yと
して0.2を用いたが、これはチャンネル層5のキャリ
ア濃度を大きくとるために用いた値であり、Xとしては
0.2〜0.5程度、yとしては0.05〜0.4程度
の値を用いても、同様な結果が得られる。 また、チャンネル層5はI nGaAsを用いたが、も
ちろんGaAsを用いてもよい。また、層構造もG a
 A s / A I G a A s系に限らず、そ
の他例えば1.nP基板上のI n G a A s 
/ A I G a A s系のように格子定数が揃っ
ているか、またはわずかに異なる系でも同様な結果が得
られる。 また、同様な構造で、本実施例とは反対の導電形とすれ
ば、PチャンネルE−FETの代りにNチャンネルE−
FETを作製することもできる。 この場合、第1図のPトープ層をすべてNドープ層に変
えることにより達成できることは云うまでもない。この
実施例で用いた値としては、InyGa1yAs層での
In濃度y=0.2、AlxGa1.As層でのA1濃
度x = 0 、3であり、各層の厚さはPチャンネル
の場合と同等である。ここでも、Xとしては0.2〜0
.5程度、yとしては0.05〜0.4程度のいずれの
値を用いても同様な結果が得られる。 実施例2゜ 本実施例はHI G F E T (Heteroju
nctjonInsulated Gate F E 
Tの略)構造のヘテロ接合電界効果トランジスタにおけ
るPチャンネルE−FETの例を示すものであり、以下
、第7図の断面構造図にしたがって説明する。 まず、半絶縁性GaAs基板上]に、実施例1の場合と
同様にMBE(分子線エピタキシー)装置により、基板
温度650℃の条件のもとでアン1、−プG a A 
s層(厚さ:0.3 pm)2、 アンドープAlxG
a、xAs層(x=0.45,0.3in) 3、p−
InyGa、yAs層(y=0.2.濃度:1.3X]
O”/cm2.lo nm)−18、アンドープA 1
 xG a 1 xA s層(x=0.45.]Onm
) 8、p −G a A s M(30nm) 9、
 アンドープA 1 xG a 1xA s層(x=0
.45,3nm)10.アンドープG a A s層(
50nm) 11を成長させ、最後にキャンプ層として
p  −G a A s層(濃度=3χ101′l/c
m2,25nm)】2を堆積させる。 以下のプロセスは、実施例1と同しである。つまり、こ
の実施例では、実施例1のN4から7までをp−InG
aAs層18で置き換えた構造をとっている。 このようにして得られた第7図のE−FETの特性は、
耐圧二6■、相互コンダクタンスg、:305 m S
 / m rn、ソース抵抗Rs: 13.2Ω・mm
、に値3.1rnS/V10μmと高性能を示した。 なお、結晶成長は、MBEの代りに原子層単位で成長を
制御できる装置1例えばMOCVD等を用いても同様の
結果が得られる。また、ゲート直下のアンドープA I
 G a A s層8は、耐圧を小さくしない程度に、
I X 1018/ c m2以下のp−AIG a 
A sを用いてもよい。この際、耐圧は少し悪化するが
、ソース・ゲート間抵抗Rsは小さくなる。また、実施
例1で述べたと同様に、エピタキシャル層の導電型を反
対導電型とすればPチャンネルE−FET0代りに、N
チャンネルE−FETを作製することができる。つまり
、この場合には上記実施例のPトープ層をすへてNトー
プ層に変えることにより達成される。 [発明の効果] 本発明によれば、薄いキャリア濃度を持ったエピタキシ
ャル層を媒介にすることにより、ソース及びドレイン電
極の下では伝導に寄与するキャリアが常に存在し、電圧
を印加しないときにはゲート下のチャンネル層のみ空乏
化され、電圧印加時にはチャンネルにキャリアがたまる
という、E−FET動作をするヘテロ接合半導体装置に
適用したとき、大きな効果が得られる。
An embodiment of the present invention will be specifically described below using the drawings. Example 1 FIG. 1 shows a heterojunction field effect transistor (
2 is a cross-sectional structural diagram of a P-channel E-FET in HEMT structure). The manufacturing process will be sequentially explained below. First, undoped GaAsN (thickness: 0.3 pm) was deposited on a semi-insulating GaAs substrate 1 using an MBE (molecular beam epitaxy) device at a substrate temperature of 650°C.
, undoped A I XG a l XA S M (
X”0.45,0.:bm) 3. Undoped Ga
A s reservoir (50 nm) 4, undoped I nyGai
yAs layer (y=0.2+20 nm) 5, undoped A
1 xG a , XAS layer (x=0.45.2-
10 nm)6, p-AlxGa, xAs layer (x20.
45. Concentration: ], 5X10"/cm2, 25nm) 7
, undoped A I XG a , xA s layer (x=
0.45.15 nm) 8. p-GaAs layer (30n
m) 9, undoped A1. Ga1-As layer (x=0.4
5,3 nm) 10, undoped GaAs layer (50 nm
) 11, and finally, at a substrate temperature of 500°C, a p-GaAs layer (concentration: 3X]O” was grown as a cap layer.
cm/2,160 nm) 'J, 2 is deposited. In the above structure, layers 8 and below constitute a first semiconductor layer, layer 9 constitutes a second semiconductor layer, and layers 10 to 12 constitute a third semiconductor layer. Undoped A I G a A s N 6 is P type A
IGaAs is a layer that suppresses the diffusion of P-type impurity atoms (Be) in M7 into the channel layer 5, and is usually
10 nm is appropriate. Further, the undoped AlGaAs layer 8, which is the first semiconductor layer, is a layer in contact with the gate 15, and is provided to suppress gate leakage current. Next, after performing inter-element isolation for forming sources and drains by mesa etching, SiO
2 films (thickness: 300 nm) 16 are formed, and holes for the source electrode] 3 and the drain electrode 14 are formed by a normal photolithography process. S]02 film 16 on the surface of this hole is scraped with a 6-layer + chip, and then a p-GaAs cap layer 1 is removed.
A hole of about 40 nm is formed through wet etching. At this time, when the thickness of the cap/1112 is about 160 nm, etching of about 30 nm or more produces the effect of lowering the resistance, and the most practically preferable etching depth is 40 to 50 nm. Furthermore, the Si○2 film 16
Side-etch the film using a 6-etch etch to create a shape that facilitates lift-on. On top of this A u / M o / to u Z n / M
Deposit o/A u and heat treatment (400℃, 2 minutes)
Then, a source electrode 13 and a drain electrode 14 are formed. Furthermore, a gate pattern is formed using an EB (electron beam) lithography method. At that time, the p-GaAs cap layer 12
2F2/He-based selective tri-etching is provided to remove the undoped AlGaAs layer 10 with good controllability, and furthermore, the gate electrode 15 is
- In order to avoid contact with the GaAs cap 112,
The p-GaAs cap layer 12 is side-etched to form a 0
.. 05~0, a gap 17 of about 1 llIn is provided,
In addition, undoped AIG a As F@10 and p-GaAsJii9 were etched. This step is necessary to increase the withstand voltage. Furthermore, C.C.
By selective I, F2/He based tri-etching, the undoped AIG a As layer 8 was etched away with good controllability. Undoped A becomes this first semiconductor layer
The lGaAs layer 8 also plays the role of an etching stopper when the second semiconductor layer 9 is dry-etched selectively and with good control. Further, after depositing A1, lift-off was performed to form a gate electrode 15 having a gate length of 0.1 μm and a gate width of 50 μm. In this way, a P-channel E-FET having the structure shown in FIG. 1 was realized. The E-FET according to this embodiment has a breakdown voltage of 26V, a mutual conductance ga: 203rnS/mrn, a source resistance Rs: 7.0Ω・mm, and a value of 3.3mS/mrn.
It showed high performance with a V of 10 μm. Furthermore, in Figure 5,
The relationship between the embedding depth when embedding the source 13 and drain 14 electrodes into the cap layer 12 and the source resistance R5 is shown. As shown in the figure, an embedding depth of 40 to 50 nm is practically most preferable and indicates a source resistance Rs near, 0 Ω·mm. Further, FIG. 6 shows the relationship between drain voltage and drain current using gate voltage v6 as a parameter. As shown in the figure, good characteristics as an E-FET were obtained. Note that when epitaxial crystal growth is performed in the manufacturing process, similar results can be obtained by using a device that can control growth on an atomic layer basis, such as MOCVD, instead of the MBE used here. Further, the thickened cap layer 12 may be formed later using a technique such as MOCVD selective growth, for example. In addition, the cap N12 is not limited to GaAs.
For example, a material that facilitates ohmic contact, such as InGaAs, may be used. Also, undoped A directly under the gate
The IGaAs layer 8 is made of p-AlGaAs with an IX 10"/cm2 or less so as not to reduce the withstand voltage.
may also be used. At this time, the breakdown voltage deteriorates a little, but the source-gate resistance Rs becomes smaller. Further, if this layer 8 is an undoped or p-layer, the ohmic alloy layer does not penetrate into the region between the source electrode 13 and the gate electrode 14, so the layer thickness is preferably 15 nm or less. but,
If it is too thin, the withstand voltage will be low, so a thickness of about 5 nm is necessary. Ultimately, the thickness of the undoped N8 as the first semiconductor layer is appropriately and preferably about 5 to 15 nm. In this example, 0.45 was used as the Al concentration X of the AlxGalxAs layer, and 0.2 was used as the Inli degree y of the InyGa□yAs layer, but these values were used to increase the carrier concentration of the channel layer 5. Similar results can be obtained by using values of approximately 0.2 to 0.5 for X and approximately 0.05 to 0.4 for y. Further, although InGaAs is used for the channel layer 5, GaAs may of course be used. In addition, the layer structure is also Ga
Not limited to the A s / A I G a As system, but also other types, such as 1. I n Ga As on nP substrate
Similar results can be obtained even in systems where the lattice constants are the same or slightly different, such as the A I G a As system. Furthermore, if a similar structure is used, but the conductivity type is opposite to that of this embodiment, the N-channel E-FET can be used instead of the P-channel E-FET.
FETs can also be made. Needless to say, this can be achieved by replacing all the P-doped layers in FIG. 1 with N-doped layers. The values used in this example are In concentration y=0.2 in the InyGa1yAs layer, AlxGa1. The A1 concentration x in the As layer is 0,3, and the thickness of each layer is the same as in the case of the P channel. Here again, X is 0.2 to 0
.. Similar results can be obtained by using any value of about 5 and about 0.05 to 0.4 for y. Example 2゜This example is HIG FET (Heteroju
nctjonInsulated Gate F E
This figure shows an example of a P-channel E-FET in a heterojunction field effect transistor having a T) structure, and will be described below with reference to the cross-sectional structural diagram of FIG. First, on a semi-insulating GaAs substrate] A1, -G a
s layer (thickness: 0.3 pm) 2, undoped AlxG
a, x As layer (x = 0.45, 0.3 inch) 3, p-
InyGa, yAs layer (y=0.2. Concentration: 1.3X)
O”/cm2.lo nm)-18, undoped A 1
xG a 1 xA s layer (x=0.45.] Onm
) 8, p-G a As M (30 nm) 9,
Undoped A 1 xG a 1xA s layer (x=0
.. 45.3 nm)10. Undoped G a As layer (
50 nm) 11, and finally a p-GaAs layer (concentration = 3χ101'l/c) as a camp layer.
m2, 25 nm)]2 is deposited. The following process is the same as in Example 1. In other words, in this example, N4 to N7 of Example 1 were replaced with p-InG.
It has a structure in which the aAs layer 18 is substituted. The characteristics of the E-FET shown in FIG. 7 obtained in this way are as follows:
Withstand voltage 26■, mutual conductance g: 305 m S
/ mrn, source resistance Rs: 13.2Ω・mm
, it showed high performance with a value of 3.1rnS/V10μm. Note that similar results can be obtained for crystal growth using an apparatus 1 that can control growth on an atomic layer basis, such as MOCVD, instead of MBE. Also, the undoped A I directly under the gate
The GaAs layer 8 is made of
I X 1018/cm p-AIG a below
A s may also be used. At this time, the breakdown voltage deteriorates a little, but the source-gate resistance Rs becomes smaller. In addition, as described in Example 1, if the conductivity type of the epitaxial layer is set to the opposite conductivity type, N
Channel E-FETs can be made. In other words, in this case, the P-tope layer of the above embodiment is completely changed to an N-tope layer. [Effects of the Invention] According to the present invention, by using an epitaxial layer with a thin carrier concentration, carriers contributing to conduction are always present under the source and drain electrodes, and when no voltage is applied, carriers are present under the gate. A great effect can be obtained when applied to a heterojunction semiconductor device that operates as an E-FET, in which only the channel layer is depleted and carriers accumulate in the channel when voltage is applied.

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

第1図は、HEMT構造に適用した本発明の一実施例の
ヘテロ接合半導体装置の断面構造図、第2図は、ゲート
電極直下の、電子に対するエネルギーバンド構造、第3
図は、ソース及びドレイン電極直下の、電子に対するエ
ネルギーバンド構造、第4図は、ゲート電圧印加時のゲ
ート電極直下の、電子に対するエネルギーバンド構造、
第5図はソ−ス抵抗のソース、ドレイン電極埋込み深さ
依存性を示した特性曲線図、第6図は、本実施例のE−
FETのドレイン電流のドレイン電圧依存性を示した特
性曲線図、第7図は、HIGFET構造に適用した本発
明の他の実施例となるヘテロ接合半導体装置の断面構造
図である。 く符号の説明〉 1・・半絶縁性GaAs基板、  2・・アンドープG
aAs層、3・・・アンドープAlGaAsN、4・・
アンドープGaAs層、5・・・アンドープInGaA
s層、 6・・アンドープAlGaAs層、7− p (n )
 −AlGaAs層8・アンドープAlGaAsW!j
、  9− p  (n  ) −GaAs層、11・
・・アンドープGaAs層、  12− p  (n 
 )−GaAs層13・ソース電極、     14・
・・ドレイン電極、17・ ゲート電極とp(n)−G
aAs層のすき間、18− p (n ) −InGa
As層、100  フェルミエネルギー 101・・・エネルギーバンド 102・ソース抵抗の埋込深さ依存性曲線103〜10
8・ ドレイン電流曲線。
FIG. 1 is a cross-sectional structural diagram of a heterojunction semiconductor device according to an embodiment of the present invention applied to a HEMT structure, and FIG. 2 is an energy band structure for electrons directly under the gate electrode.
The figure shows the energy band structure for electrons directly under the source and drain electrodes, and FIG. 4 shows the energy band structure for electrons directly under the gate electrode when gate voltage is applied.
FIG. 5 is a characteristic curve diagram showing the dependence of the source resistance on the buried depth of the source and drain electrodes, and FIG.
FIG. 7 is a characteristic curve diagram showing the drain voltage dependence of the drain current of an FET, and is a cross-sectional structural diagram of a heterojunction semiconductor device according to another embodiment of the present invention applied to a HIGFET structure. Explanation of symbols> 1. Semi-insulating GaAs substrate, 2. Undoped G
aAs layer, 3... undoped AlGaAsN, 4...
Undoped GaAs layer, 5... undoped InGaA
s layer, 6... undoped AlGaAs layer, 7-p (n)
-AlGaAs layer 8・Undoped AlGaAsW! j
, 9-p(n)-GaAs layer, 11.
...Undoped GaAs layer, 12-p (n
)-GaAs layer 13・source electrode, 14・
...Drain electrode, 17. Gate electrode and p(n)-G
aAs layer gap, 18-p(n)-InGa
As layer, 100 Fermi energy 101...Energy band 102・Burning depth dependence curve of source resistance 103 to 10
8. Drain current curve.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、エンハンスメント型ヘテロ接合電界効果トランジス
タにおいて、ゲート電極が接している第1の半導体層に
ゲート電極と同じ側に接触した第2の半導体層を有し、
かつ前記第2の半導体層上に、ソース及びドレイン電極
を具備したオーミック接合の第3の半導体層を有して成
るエンハンスメント型ヘテロ接合電界効果トランジスタ
。 2、上記第2の半導体層がアンドープもしくは低濃度不
純物層から成る請求項1記載のエンハンスメント型ヘテ
ロ接合電界効果トランジスタ。 3、上記第3の半導体層は高濃度不純物からなり、かつ
厚膜化されて成る請求項1記載のエンハンスメント型ヘ
テロ接合電界効果トランジスタ。 4、上記第3の半導体層に具備されたソース及びドレイ
ン電極が半埋込みと状態となり、ソース及びドレイン電
極から第1の半導体層にあるチャンネルまでの距離が、
150nm以下として成る請求項1乃至3何れか記載の
エンハンスメント型ヘテロ接合電界効果トランジスタ。 5、上記第1の半導体層はAlGaAsであり、第2の
半導体層はGaAsであり、第3の半導体層はGaAs
である請求項1乃至4何れか記載のエンハンスメント型
ヘテロ接合電界効果トランジスタ。 6、上記第1、第2、第3の半導体層が何れもp形半導
体層から成りチャンネル層がPチャンネルから成る請求
項1乃至5何れか記載のエンハンスメント型ヘテロ接合
電界効果トランジスタ。 7、上記第1、第2、第3の半導体層が何れもn形半導
体層から成りチャンネル層がNチャンネルから成る請求
項1乃至5何れか記載のエンハンスメント型ヘテロ接合
電界効果トランジスタ。 8、エンハンスメント型ヘテロ接合電界効果トランジス
タの製造方法において、第1の半導体層上に、第2の半
導体層としてチャンネル層がNチャンネルのときには、
n^−−GaAs層を、Pチャンネルのときには、p^
−−GaAsを積層させ、ゲート直下のみこの第2の半
導体層をエッチング除去して、露出された第1の半導体
層上にゲート電極を形成し、前記第2の半導体層上に第
3の半導体層として厚膜化したキャップ層を形成し、こ
のキャップ層に半埋込み状態でソース及びドレイン電極
を形成して成るエンハンスメント型ヘテロ接合電界効果
トランジスタの製造方法。
[Claims] 1. In an enhancement type heterojunction field effect transistor, the first semiconductor layer in contact with the gate electrode has a second semiconductor layer in contact with the same side as the gate electrode,
and an enhancement type heterojunction field effect transistor comprising, on the second semiconductor layer, an ohmic junction third semiconductor layer having source and drain electrodes. 2. The enhancement type heterojunction field effect transistor according to claim 1, wherein the second semiconductor layer is an undoped or lightly doped layer. 3. The enhancement type heterojunction field effect transistor according to claim 1, wherein the third semiconductor layer is made of a highly concentrated impurity and is made thick. 4. The source and drain electrodes provided in the third semiconductor layer are semi-buried, and the distance from the source and drain electrodes to the channel in the first semiconductor layer is
4. The enhancement type heterojunction field effect transistor according to claim 1, wherein the enhancement type heterojunction field effect transistor has a thickness of 150 nm or less. 5. The first semiconductor layer is AlGaAs, the second semiconductor layer is GaAs, and the third semiconductor layer is GaAs.
The enhancement type heterojunction field effect transistor according to any one of claims 1 to 4. 6. The enhancement type heterojunction field effect transistor according to any one of claims 1 to 5, wherein the first, second, and third semiconductor layers are all made of p-type semiconductor layers, and the channel layer is made of a p-channel. 7. The enhancement type heterojunction field effect transistor according to any one of claims 1 to 5, wherein the first, second, and third semiconductor layers are all made of n-type semiconductor layers, and the channel layer is made of an n-channel type. 8. In the method for manufacturing an enhancement type heterojunction field effect transistor, when the channel layer is N-channel as the second semiconductor layer on the first semiconductor layer,
When the n^--GaAs layer is P channel, p^
--GaAs is stacked, the second semiconductor layer is etched away only directly under the gate, a gate electrode is formed on the exposed first semiconductor layer, and a third semiconductor layer is formed on the second semiconductor layer. A method for manufacturing an enhancement type heterojunction field effect transistor, which comprises forming a thick cap layer and forming source and drain electrodes in a semi-buried state in the cap layer.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US6624440B2 (en) 1998-03-06 2003-09-23 Nec Corporation Field effect transistor

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