JPH04333242A - Field-effect transistor - Google Patents

Field-effect transistor

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JPH04333242A
JPH04333242A JP10247391A JP10247391A JPH04333242A JP H04333242 A JPH04333242 A JP H04333242A JP 10247391 A JP10247391 A JP 10247391A JP 10247391 A JP10247391 A JP 10247391A JP H04333242 A JPH04333242 A JP H04333242A
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JP
Japan
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layer
channel
effect transistor
field effect
substrate
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Application number
JP10247391A
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Japanese (ja)
Inventor
Takuma Tanimoto
谷本 琢磨
Masao Yamane
正雄 山根
Tomoyoshi Mishima
友義 三島
Makoto Kudo
真 工藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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Publication of JPH04333242A publication Critical patent/JPH04333242A/en
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Abstract

PURPOSE:To improve a carrier mobility by a method wherein a ternary compound semiconductor, which has a comparatively large band gap, or larger is used as the material for a first semiconductor layer and a binary compound semiconductor, which has a comparatively small grating constant and a small band gap, is used as the material for a channel layer. CONSTITUTION:Such a high-carrier mobility binary compound semiconductor material as GaSb or InAs is used as the material for a channel layer 3 and as the material for a buffer layer 2, a material, which has a difference of 2%, for example, or thereabouts between the grating constant of the layer 3 consisting of such the semiconductor material as In(Ga, Al)As or (Al, Ga)(As, Sb) and the grating constant of the material, is used. That is, even if an InP substrate 1 is used when In is substituted by 30% or thereabouts, a difference in grating constant between the substrate 1 and the layer 2 is close to 2% and in the case a GaAs substrate is used, there is a difference of 5% or thereabouts between the grating constants of the GaAs substrate and the layer 2. However the distortion of the substrate 1 is relaxed by making thin the layer 2 and the substrate 1 is used as if a substrate of the same grating constant as that of the layer 2 is utilized. Thereby, a carrier mobility is improved.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

【0001】0001

【産業上の利用分野】本発明は、エピタキシャル成長に
より作製される電界効果トランジスタに係り、高速動作
可能な化合物半導体電界効果トランジスタに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a field effect transistor manufactured by epitaxial growth, and more particularly to a compound semiconductor field effect transistor capable of high speed operation.

【0002】0002

【従来の技術】エピタキシャル成長により作製されるF
ET(Field Effect Transiste
r) としては、例えば特開昭62−298181号に
記載のように、格子整合のとれた系を用いた構造をとっ
ていた。また、格子定数の異なる系では、例えば特開平
1−66972号に記載のように、InGaAsのよう
な3元系をチャネル層に用いていた。
[Prior art] F manufactured by epitaxial growth
ET (Field Effect Transiste)
r) has a structure using a lattice-matched system, as described, for example, in JP-A No. 62-298181. Furthermore, in systems with different lattice constants, a ternary system such as InGaAs has been used for the channel layer, as described in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 1-66972.

【0003】0003

【発明が解決しようとする課題】FETの性能を左右す
るパラメータの1つとして、キャリアの移動度がある。 例えば、GaAsの低不純物濃度領域での電子移動度は
、8500cm2/Vs 程度であり、Siでのものよ
りも約6倍大きい。これを背景としたGaAsの超高速
デバイス応用の研究が盛んである。さらに、InAsや
GaSbといった物質ではより高い電子,正孔移動度が
確認されており、これらの材料を用いた高性能デバイス
が期待されてきた。ところがこれらの材料は、GaAs
に比べて格子定数が約7%大きいうえ、InP基板に対
しても約3%大きいため、基板に格子整合をとるのが困
難であるか、高価な基板を利用しなければならなかった
ため、実用化に至らなかった。従ってInGaAs等の
3元系の材料が利用されているが、高移動度が期待され
るInGaAsの方がかえってGaAsよりも低移動度
になることすらもあり、性能が著しく抑制されていた。
[Problems to be Solved by the Invention] Carrier mobility is one of the parameters that influences the performance of FETs. For example, the electron mobility in a low impurity concentration region of GaAs is about 8500 cm2/Vs, which is about six times larger than that of Si. Against this background, research on the application of GaAs to ultra-high-speed devices is active. Furthermore, higher electron and hole mobilities have been confirmed in materials such as InAs and GaSb, and high performance devices using these materials have been expected. However, these materials are GaAs
The lattice constant is approximately 7% larger than that of the InP substrate, and also approximately 3% larger than that of the InP substrate, making it difficult to achieve lattice matching to the substrate or requiring the use of an expensive substrate, making it impractical. It did not lead to change. Therefore, ternary materials such as InGaAs have been used, but InGaAs, which is expected to have high mobility, may even have a lower mobility than GaAs, and its performance has been significantly suppressed.

【0004】本発明の目的は、上記従来の問題点を解決
することにあり、その第1の目的はFET等のデバイス
の性能に大きく寄与する電子及び正孔の移動度を向上さ
せ、かつ実際のデバイス応用可能な構造を提供すること
にあり、第2の目的は比較的廉価な基板材料を用いても
高性能が得られる構造を提供することにある。
The purpose of the present invention is to solve the above-mentioned conventional problems, and the first purpose is to improve the mobility of electrons and holes, which greatly contribute to the performance of devices such as FETs, and to The second object of the present invention is to provide a structure that can be applied to devices, and a second object is to provide a structure that can provide high performance even when using a relatively inexpensive substrate material.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】上記第1の目的は、Ga
SbあるいはInAsのような高キャリア移動度の2元
系化合物半導体材料ををチャネルとし、バッファ層をI
n(Ga,Al)Asもしくは(Al,Ga)(As,
Sb)のような、チャネル層との格子定数の差が3%程
度以下の材料とすることにより、また第2の目的は、G
aAs基板を用い、バッファ層の厚さを1μm以上とす
ることにより達成される。
[Means for solving the problem] The first objective is to
A binary compound semiconductor material with high carrier mobility such as Sb or InAs is used as the channel, and the buffer layer is I
n(Ga,Al)As or (Al,Ga)(As,
By using a material with a lattice constant difference of about 3% or less with the channel layer, such as Sb), the second objective is to
This is achieved by using an aAs substrate and setting the thickness of the buffer layer to 1 μm or more.

【0006】[0006]

【作用】FETの性能を向上させるための1つの手段と
して、キャリアの移動度を向上させることがある。Ga
As及びInAsの低濃度での移動度はそれぞれ850
0,22000cm2/Vs であり、InGaAsに
おける移動度は、これを組成比で加重平均した値よりも
一般に小さな値であった。この理由のうちの1つと考え
られるのが混晶による散乱がある。これを避けるために
は、少なくともチャネル層は混晶でない方が好ましい。 従って、従来用いられてきたようなInGaAsではな
く、Nチャネルの場合はInAsを、Pチャネルの場合
はGaSbあるいはInAsを用いることにより性能の
向上が期待できる。
[Operation] One means for improving the performance of FETs is to improve carrier mobility. Ga
The mobilities of As and InAs at low concentrations are each 850
0.22000 cm2/Vs, and the mobility in InGaAs was generally smaller than the weighted average value based on the composition ratio. One of the reasons for this is considered to be scattering due to mixed crystals. In order to avoid this, it is preferable that at least the channel layer is not a mixed crystal. Therefore, performance can be expected to be improved by using InAs for N-channel and GaSb or InAs for P-channel, instead of InGaAs that has been used conventionally.

【0007】InAsあるいはGaSbチャネルを利用
するFETとして、HEMT(HighElectro
n Mobility Transistor) 型構
造をとるとき、電子、或いは正孔供給層としてバンドギ
ャップの大きな高抵抗の材料が必要となる。従来のGa
AsないしInGaAsチャネルHEMTでは、AlG
aAsを用いてきた。InAs,GaSbチャネルでは
In(Ga,Al)Asを使えばデバイス応用可能な大
きなバンドギャップが実現できるが、GaやAlの濃度
の増加に伴い、チャネルとの間の格子定数の違いが大き
くなるため、チャネル層に転位が生じる。すなわちGa
やAlの濃度に制限が生じる。すなわち、Inのうち5
0%程度を置換するとき、チャネルの厚さとしては5n
m以下、30%程度を置換するときは8nm以下にする
必要がある。例えばチャネルとバッファ層間の格子定数
が2%程度、即ちInを30%程度置換したとき、In
P基板を用いても基板バッファ層間の格子定数差は2%
近く、GaAs基板では5%程度ある。しかし、バッフ
ァ層を厚くすることによりひずみが緩和され、あたかも
バッファ層と同じ格子定数の基板を利用したようになる
[0007] HEMT (High Electro
When adopting a n Mobility Transistor type structure, a high resistance material with a large band gap is required as an electron or hole supply layer. Conventional Ga
In As or InGaAs channel HEMT, AlG
We have used aAs. In InAs and GaSb channels, if In(Ga,Al)As is used, a large bandgap suitable for device applications can be achieved, but as the concentration of Ga or Al increases, the difference in lattice constant between the channel and the channel increases. , dislocations occur in the channel layer. That is, Ga
There are restrictions on the concentration of aluminum and aluminum. That is, 5 out of In
When replacing approximately 0%, the channel thickness is 5n.
When substituting about 30% of the thickness, the thickness must be 8 nm or less. For example, when the lattice constant between the channel and the buffer layer is about 2%, that is, when In is replaced by about 30%, In
Even if a P substrate is used, the lattice constant difference between the substrate buffer layers is 2%.
It is close to 5% for GaAs substrates. However, by making the buffer layer thicker, the strain is alleviated, making it as if a substrate with the same lattice constant as the buffer layer was used.

【0008】[0008]

【実施例】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。以降、材料の記述としてInAlAsは
InAs中のIn原子のうちの一部をAlで置換したも
のであり、In(Al,Ga)AsはInAs中のIn
原子の一部をAlやGa原子で置換したもの、(Al,
Ga)(Sb,As)はGaAsのGa原子の一部をA
l原子で、As原子の一部をSb原子で置換したものを
意味する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be specifically described below with reference to the drawings. Hereinafter, as a material description, InAlAs is a material in which some of the In atoms in InAs are replaced with Al, and In(Al,Ga)As is a material in which some of the In atoms in InAs are replaced with Al.
Those in which some atoms are replaced with Al or Ga atoms, (Al,
Ga) (Sb, As) is a part of Ga atoms of GaAs
L atom means an As atom partially replaced with an Sb atom.

【0009】実施例1.図2に、本発明の1実施例の断
面図を示す。まず半絶縁性GaAs基板1上に、MBE
(分子線エピタキシー)装置により、アンドープInA
lAsバッファ層(Al組成0.3,厚さ:1.5μm
)2,アンドープInAsチャネル層(5nm)3,ア
ンドープInAlAsスペーサ層(Al組成0.4,2
nm)4,p−InAlAsキャリア供給層(Al組成
0.4,10nm,Be濃度:5×1018/cm2)
5,アンドープInAlAs層(Al組成0.4,10
nm)6を成長させ、最後にアンドープGaAsキャッ
プ層(5nm)7を堆積させる。アンドープInAlA
s層4は、p型InAlAs層5の中のp型不純物原子
(Be)の拡散を抑える層であり、通常2〜10nmが
適当である。次に、SiO2 を堆積させ、Van d
er Pauwパターンを形成した。オーミック領域に
ついては、SiO2をエッチングし、InZnをつけて
、熱処理(350℃,3分)を行なった。このようにし
て、図2に示した構造の半導体装置を実現した。
Example 1. FIG. 2 shows a cross-sectional view of one embodiment of the present invention. First, MBE is applied onto a semi-insulating GaAs substrate 1.
(Molecular Beam Epitaxy)
lAs buffer layer (Al composition 0.3, thickness: 1.5 μm
) 2, undoped InAs channel layer (5 nm) 3, undoped InAlAs spacer layer (Al composition 0.4, 2
nm) 4, p-InAlAs carrier supply layer (Al composition 0.4, 10 nm, Be concentration: 5 x 1018/cm2)
5, Undoped InAlAs layer (Al composition 0.4, 10
5 nm) 6 and finally deposit an undoped GaAs cap layer (5 nm) 7. Undoped InAlA
The s-layer 4 is a layer that suppresses the diffusion of p-type impurity atoms (Be) in the p-type InAlAs layer 5, and normally has an appropriate thickness of 2 to 10 nm. Next, deposit SiO2 and Van d
An er Pauw pattern was formed. For the ohmic region, SiO2 was etched, InZn was applied, and heat treatment (350° C., 3 minutes) was performed. In this way, a semiconductor device having the structure shown in FIG. 2 was realized.

【0010】チャネル層の材料による影響を調べるため
に、同様な素子構造でInGaAs(In組成:x)チ
ャネルのものも作製した。xとしては0.3 から1ま
で変化させ、xに対応させて、バッファ層2のAl濃度
をx−0.3 とし、他のInAlAs層4,5,6の
Al濃度をx−0.4 とし、さらに測定されるキャリ
ア移動度が直接比較可能なものとするため、シートキャ
リア濃度が1×1012/cm2 となるようにキャリ
ア供給層5のBe濃度を調整した。
In order to investigate the influence of the material of the channel layer, an InGaAs (In composition: x) channel was also fabricated with a similar device structure. x is varied from 0.3 to 1, and corresponding to x, the Al concentration of the buffer layer 2 is set to x-0.3, and the Al concentration of the other InAlAs layers 4, 5, and 6 is set to x-0.4. Furthermore, in order to directly compare the measured carrier mobilities, the Be concentration of the carrier supply layer 5 was adjusted so that the sheet carrier concentration was 1×10 12 /cm 2 .

【0011】図3に、チャネル材料に対する正孔移動度
を示した。図示のように、InAs中の移動度がGaA
s中のそれに比べて大きいのを反映して、In組成xが
増加すると移動度は増加する傾向にあるが、InAsチ
ャネルのとき、その延長線から期待できる移動度よりも
大きな移動度が観測された。
FIG. 3 shows hole mobility for channel materials. As shown in the figure, the mobility in InAs is GaA
The mobility tends to increase as the In composition x increases, reflecting the fact that it is larger than that in Ta.

【0012】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、ここで示したMBEのかわりに原子
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。
In epitaxial crystal growth in the manufacturing process, similar results can be obtained by using a device capable of controlling growth in units of atomic layers, such as MOCVD, instead of the MBE shown here.

【0013】本実施例では、チャネル層とキャリア供給
層とのIn組成比の違いを0.3 としたが、これは絶
対的なものではなく、0.2から0.5程度としても良
好な結果が得られる。この際、チャネル層3の厚さとキ
ャリア供給層5の不純物濃度について注意する必要があ
る。 また、図3に示した結果は、シートキャリア濃度が1×
1012/cm2のものであるが、この濃度が1×10
11/cm2から2×1012/cm2 程度までは同
様な結果が得られた。またチャネル層はInGaAsを
用いたが、GaAsSbを用いてもよく、また層構造も
In(Al,Ga)Asに限らず、例えば(Al,Ga
)(Sb,As)のように、チャネル層との格子定数の
違いが0.02nm 程度となるような材料の組み合わ
せのとき同様な結果が得られる。本実施例では、Pチャ
ネルの例を示したが、Nチャネルでも同様な結果が得ら
れる。この場合、本実施例のPドープ層をNドープ層に
することにより達成されることは云うまでもない。
In this example, the difference in the In composition ratio between the channel layer and the carrier supply layer was set to 0.3, but this is not an absolute value, and a value of about 0.2 to 0.5 may be good. Get results. At this time, it is necessary to pay attention to the thickness of the channel layer 3 and the impurity concentration of the carrier supply layer 5. Furthermore, the results shown in Figure 3 show that the sheet carrier concentration is 1×
1012/cm2, but this concentration is 1×10
Similar results were obtained from about 11/cm2 to about 2×1012/cm2. Although InGaAs is used for the channel layer, GaAsSb may also be used, and the layer structure is not limited to In(Al,Ga)As, for example, (Al,Ga)
) (Sb, As), a similar result can be obtained with a combination of materials such that the difference in lattice constant from the channel layer is about 0.02 nm. In this embodiment, an example of P channel is shown, but similar results can be obtained with N channel. Needless to say, this can be achieved by replacing the P-doped layer of this embodiment with an N-doped layer.

【0014】実施例2.図1に、本発明の1実施例の断
面図を示す。まず半絶縁性InP基板1上に、MBE(
分子線エピタキシー)装置により、アンドープIn(A
l,Ga)Asバッファ層(Al組成0.3,Ga組成
0.2,厚さ:0.6μm)2,アンドープInAsチ
ャネル層(5nm)3,アンドープInAlAsスペー
サ層(Al組成0.6,2nm)4,p−InAlAs
キャリア供給層(Al組成0.6,10nm,Be濃度
:5×1018/cm2)5、アンドープInAlAs
層(Al組成0.6,10nm)6を成長させ、最後に
p−GaAsキャップ層(濃度:3×1019/cm2
,160nm)7を堆積させる。
Example 2. FIG. 1 shows a cross-sectional view of one embodiment of the present invention. First, MBE (
Undoped In(A
l, Ga) As buffer layer (Al composition 0.3, Ga composition 0.2, thickness: 0.6 μm) 2, undoped InAs channel layer (5 nm) 3, undoped InAlAs spacer layer (Al composition 0.6, 2 nm) )4,p-InAlAs
Carrier supply layer (Al composition 0.6, 10 nm, Be concentration: 5 x 1018/cm2) 5, undoped InAlAs
A layer (Al composition: 0.6, 10 nm) 6 is grown, and finally a p-GaAs cap layer (concentration: 3 x 1019/cm2) is grown.
, 160 nm) 7.

【0015】アンドープInAlAs層4は、p型In
AlAs層5の中のp型不純物原子(Be)の拡散を抑
える層であり、通常2〜10nmが適当である。また、
アンドープInAlAs層6は、ゲートに接する層であ
り、ゲートリーク電流を抑えるために設けてある。
The undoped InAlAs layer 4 is a p-type InAlAs layer 4.
This is a layer that suppresses the diffusion of p-type impurity atoms (Be) in the AlAs layer 5, and normally has an appropriate thickness of 2 to 10 nm. Also,
The undoped InAlAs layer 6 is a layer in contact with the gate, and is provided to suppress gate leakage current.

【0016】次に、メサエッチにより素子間分離を行な
ったあと、SiO2膜11を蒸着し、通常のホトリソグ
ラフィープロセスにより、ソース電極8及びドレイン電
極9のための孔を形成する。この孔の表面のSiO2 
膜11をドライエッチにより削り、引き続きp−GaA
sキャップ層7を40nm程度ウエットエッチにより孔
あけする。さらにSiO2 膜11をウエットエッチに
よりサイドエッチさせて、リフトオフしやすい形状にす
る。 この上にAu/Mo/AuZn/Mo/Auを蒸着し、
熱処理(400℃,2分)を行なう。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。次
に、ウエットエッチと選択性ドライエッチにより制御性
よくアンドープAlGaAs層4及び10の手前までエ
ッチング除去した。さらにAl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50μ
mのゲート電極16を形成した。このようにして、図1
に示した構造のFETを実現した。
Next, after isolation between elements is performed by mesa etching, a SiO2 film 11 is deposited, and holes for the source electrode 8 and drain electrode 9 are formed by a normal photolithography process. SiO2 on the surface of this hole
The film 11 is removed by dry etching, and then p-GaA
A hole of approximately 40 nm is formed in the s-cap layer 7 by wet etching. Further, the side of the SiO2 film 11 is etched by wet etching to give it a shape that facilitates lift-off. Au/Mo/AuZn/Mo/Au was deposited on top of this,
Heat treatment (400°C, 2 minutes) is performed. Furthermore, a gate pattern is formed using an EB (electron beam) lithography method. Next, wet etching and selective dry etching were performed to remove the undoped AlGaAs layers 4 and 10 with good controllability. Furthermore, by lift-off after depositing Al, the gate length is 0.1 μm and the gate width is 50 μm.
m gate electrodes 16 were formed. In this way, Figure 1
We have realized an FET with the structure shown in .

【0017】本実施例による装置は、正孔移動度:65
0cm2/Vs ,耐圧:6V,相互コンダクタンスg
m:420mS/mm,ソース抵抗Rs:5.0Ω・m
m,K値5.3mS/V・10μmと高性能を示した。
The device according to this embodiment has a hole mobility of 65
0cm2/Vs, withstand voltage: 6V, mutual conductance g
m: 420mS/mm, source resistance Rs: 5.0Ω・m
It exhibited high performance with m and K values of 5.3 mS/V and 10 μm.

【0018】図4には、ゲート電圧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
ような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、ここで示したMB
Eのかわ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7は、例えばMOCVD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
ャップ層7は、GaAsに限らず、オーミック接触のと
りやすい物質、例えばInGaAs等を用いてもよい。 またゲート直下のアンドープInAlAs層6は、耐圧
を小さくしない程度に、1×1018/cm2 以下の
p−InAlAsを用いてもよい。
FIG. 4 shows the relationship between drain voltage and drain current using gate voltage as a parameter. Good characteristics as shown in the figure were obtained. In addition, during epitaxial crystal growth in the manufacturing process, the MB shown here
Similar results can be obtained by using a device that can control growth on an atomic layer basis, such as MOCVD, instead of E. Further, the thickened cap layer 7 may be formed later using a technique such as MOCVD selective growth, for example. Further, the cap layer 7 is not limited to GaAs, but may also be made of a material that easily makes ohmic contact, such as InGaAs. Further, the undoped InAlAs layer 6 directly under the gate may be made of p-InAlAs with a thickness of 1×10 18 /cm 2 or less, as long as the withstand voltage is not reduced.

【0019】本実施例では、InAlAs層のAl組成
xとして0.6、及びIn(Al,Ga)As層のAl
組成y,Ga組成zとしてそれぞれ0.3,0.2を用
いたが、xとしては0.4から0.6程度、y,zの組
み合わせとしては0.2,0.3から0.5,0 程度
の値を用いても、同様な結果が得られる。但し、Al濃
度が小さすぎると、バッファ層2が低抵抗となって、特
性が劣化する。またInAlAs層4から6は、同じI
n組成のIn(Al,Ga)Asを用いても良い。この
場合、価電子帯のエネルギー不連続の値が小さくなるが
、Al組成として0.3 から0.5 程度では良好な
結果が得られる。またチャネル層はInAsを用いたが
、GaSbを用いてもよく、また層構造もIn(Al,
Ga)Asに限らず、例えば(Al,Ga)(Sb,A
s)のように、チャネル層との格子定数の違いが0.0
2nm程度となるような材料の組み合わせのとき同様な
結果が得られる。また、InPに比べて廉価なGaAs
基板を用いてもよい。このとき、バッファ層2との間に
格子不整合が生ずるが、バッファ層2の厚さを1μm以
上にすることにより、利用可能となる。
In this example, the Al composition x of the InAlAs layer is 0.6, and the Al composition x of the In(Al,Ga)As layer is 0.6.
Although 0.3 and 0.2 were used as the composition y and Ga composition z, respectively, x was about 0.4 to 0.6, and the combination of y and z was 0.2, 0.3 to 0.5. , 0 can also be used to obtain similar results. However, if the Al concentration is too low, the buffer layer 2 will have low resistance and its characteristics will deteriorate. Moreover, the InAlAs layers 4 to 6 have the same I
In(Al,Ga)As having an n composition may also be used. In this case, the value of energy discontinuity in the valence band becomes small, but good results can be obtained with an Al composition of about 0.3 to 0.5. In addition, although InAs was used for the channel layer, GaSb may also be used, and the layer structure may also be In(Al,
Not limited to Ga) As, for example (Al, Ga) (Sb, A
s), the difference in lattice constant from the channel layer is 0.0
A similar result can be obtained when combining materials such that the thickness is about 2 nm. In addition, GaAs is cheaper than InP.
A substrate may also be used. At this time, a lattice mismatch occurs between the buffer layer 2 and the buffer layer 2, but it can be used by making the thickness of the buffer layer 2 1 μm or more.

【0020】本実施例では、Pチャネル電界効果トラン
ジスタの例を示したが、Nチャネルでも良好な結果が得
られる。この場合、本実施例のPドープ層をNドープ層
にすることにより達成されることは云うまでもない。
Although this embodiment shows an example of a P-channel field effect transistor, good results can also be obtained with an N-channel field effect transistor. Needless to say, this can be achieved by replacing the P-doped layer of this embodiment with an N-doped layer.

【0021】実施例3.図5に、本発明の1実施例の断
面図を示す。まず半絶縁性InP基板1上に、MBE(
分子線エピタキシー)装置により、アンドープIn(A
l,Ga)Asバッファ層(Al組成0.3,Ga組成
0.2,厚さ:0.6μm)2,アンドープInAsチ
ャネル層(5nm)12,アンドープInAlAsスペ
ーサ層(Al組成0.6,2nm)13,n−InAl
Asキャリア供給層(Al組成0.6,10nm,Si
濃度:5×1018/cm2)14,アンドープInA
lAs層(Al組成0.6,10nm)15,アンドー
プGaAs素子間分離層(厚さ:0.2μm)16,ア
ンドープIn(Al,Ga)Asバッファ層(Al組成
0.3,Ga組成0.2,厚さ:0.6μm)17,ア
ンドープInAsチャネル層(5nm)3,アンドープ
InAlAsスペーサ層(Al組成0.6,2nm)4
,p−InAlAsキャリア供給層(Al組成0.6,
10nm,Be濃度:5×1018/cm2)5,アン
ドープInAlAs層(Al組成0.6,10nm)6
を成長させ、最後にp−GaAsキャップ層(濃度:3
×1019/cm2,160nm)7を堆積させる。
Example 3. FIG. 5 shows a cross-sectional view of one embodiment of the present invention. First, MBE (
Undoped In(A
l, Ga) As buffer layer (Al composition 0.3, Ga composition 0.2, thickness: 0.6 μm) 2, undoped InAs channel layer (5 nm) 12, undoped InAlAs spacer layer (Al composition 0.6, 2 nm) )13,n-InAl
As carrier supply layer (Al composition 0.6, 10 nm, Si
Concentration: 5 x 1018/cm2) 14, undoped InA
lAs layer (Al composition 0.6, 10 nm) 15, undoped GaAs element isolation layer (thickness: 0.2 μm) 16, undoped In(Al,Ga)As buffer layer (Al composition 0.3, Ga composition 0. 2, Thickness: 0.6 μm) 17, Undoped InAs channel layer (5 nm) 3, Undoped InAlAs spacer layer (Al composition 0.6, 2 nm) 4
, p-InAlAs carrier supply layer (Al composition 0.6,
10 nm, Be concentration: 5 x 1018/cm2) 5, undoped InAlAs layer (Al composition 0.6, 10 nm) 6
Finally, a p-GaAs cap layer (concentration: 3
x1019/cm2, 160 nm)7.

【0022】次に、メサエッチにより素子間分離を行な
ったあと、通常のホトリソグラフィープロセスにより、
P型領域をマスクし、N型領域をウエットエッチにより
GaAs素子間分離層12の途中までエッチングし、つ
ぎに選択性ドライエッチによりInAlAs層6の手前
のまでエッチングする。レジスト除去後、再びホトリソ
グラフィープロセスによりn型のオーミックコンタクト
層18のための孔を形成する。開口部を、InAlAs
バッファ層2の途中までエッチング除去後、MOCVD
選択成長により、n−InAs層(厚さ:160nm)
18を成長させる。次に、SiO2  膜(厚さ:30
0nm)11を形成し、ホトリソグラフィー・プロセス
によりP型領域のソース電極8及びドレイン電極9のた
めの孔を形成する。この孔の表面のSiO2 膜11を
ドライエッチにより削り、引き続きp−GaAsキャッ
プ層7を40nm程度ウエットエッチにより孔あけする
。さらにSiO2 膜11をウエットエッチによりサイ
ドエッチさせて、リフトオフしやすい形状にする。この
上にP型層には、Au/Mo/AuZn/Mo/Auを
蒸着する。次に、同様なホトリソグラフィープロセスで
N型層のソース,ドレイン電極を形成する。電極材料と
して、Au/Ni/AuGeを蒸着し、熱処理(400
℃,2分)を行ない、ソース電極8及びドレイン電極9
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。次に、ウエットエッチと選
択性ドライエッチにより制御性よくアンドープInAl
As層6の手前までエッチング除去した。次に、Alを
蒸着した後リフトオフすることにより、ゲート長0.1
μm ,ゲート幅50μmのゲート電極10を形成した
Next, after performing isolation between elements by mesa etching, by a normal photolithography process,
The P-type region is masked, and the N-type region is etched halfway through the GaAs isolation layer 12 by wet etching, and then etched to the front of the InAlAs layer 6 by selective dry etching. After removing the resist, a hole for the n-type ohmic contact layer 18 is formed again by photolithography process. The opening is made of InAlAs
After etching and removing part of buffer layer 2, MOCVD
By selective growth, an n-InAs layer (thickness: 160 nm)
Grow 18. Next, a SiO2 film (thickness: 30
0 nm) 11 is formed, and holes for the source electrode 8 and drain electrode 9 of the P-type region are formed by a photolithography process. The SiO2 film 11 on the surface of this hole is removed by dry etching, and then a hole of about 40 nm is formed in the p-GaAs cap layer 7 by wet etching. Further, the side of the SiO2 film 11 is etched by wet etching to give it a shape that facilitates lift-off. On top of this, Au/Mo/AuZn/Mo/Au is deposited as a P-type layer. Next, source and drain electrodes of N-type layers are formed by a similar photolithography process. Au/Ni/AuGe was vapor-deposited as an electrode material and heat-treated (400
℃, 2 minutes), and the source electrode 8 and drain electrode 9
form. Furthermore, using the EB (electron beam) lithography method,
Form a gate pattern. Next, wet etching and selective dry etching are performed to undope the InAl with good controllability.
The As layer 6 was removed by etching. Next, by lift-off after depositing Al, the gate length is 0.1
A gate electrode 10 having a gate width of 50 μm and a gate width of 50 μm was formed.

【0023】本実施例による装置は、PチャネルFET
部分で正孔移動度:650cm2/Vs,耐圧:6V,
相互コンダクタンスgm :420mS/mm,ソース
抵抗Rs :5.0Ω・mm,K値5.3mS/V・1
0μm,NチャネルFET部分で電子移動度:1850
0cm2/Vs,耐圧:10V,相互コンダクタンスg
m :1630mS/mm,ソース抵抗Rs :1.0
Ω・mm,K値21.5mS/V・10μmと高性能を
示した。
The device according to this embodiment is a P-channel FET.
Hole mobility: 650cm2/Vs, breakdown voltage: 6V,
Mutual conductance gm: 420mS/mm, source resistance Rs: 5.0Ω・mm, K value 5.3mS/V・1
0μm, electron mobility in N channel FET part: 1850
0cm2/Vs, withstand voltage: 10V, mutual conductance g
m: 1630mS/mm, source resistance Rs: 1.0
It showed high performance with Ω・mm and K value of 21.5 mS/V・10 μm.

【0024】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、ここで示したMBEのかわりに原子
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7は、例えばMOCVD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、同キャップ層7は、G
aAsに限らず、オーミック接触のとりやすい物質、例
えばInGaAs等を用いてもよい。またゲート直下の
アンドープInAlAs層6及び15は、耐圧を小さく
しない程度に、1×1018/cm2以下のそれぞれp
−及びn−InAlAsを用いてもよい。
In epitaxial crystal growth in the manufacturing process, similar results can be obtained by using a device capable of controlling growth in units of atomic layers, such as MOCVD, instead of the MBE shown here. Further, the thickened cap layer 7 can be formed using a method such as MOCVD selective growth, for example.
It may be formed later. Further, the cap layer 7 is made of G
In addition to aAs, a material that can easily form ohmic contact, such as InGaAs, may also be used. In addition, the undoped InAlAs layers 6 and 15 directly under the gate each have a p of 1×10 18 /cm 2 or less to the extent that the withstand voltage is not reduced.
- and n-InAlAs may also be used.

【0025】本実施例では、InAlAs層のAl組成
xとして0.6、及びIn(Al,Ga) As層のA
l組成y,Ga組成zとしてそれぞれ0.3,0.2を
用いたが、xとしては0.4から0.6程度、y,zの
組み合わせとしては0.2,0.3から0.5,0程度
の値を用いても、同様な結果が得られる。但し、Al濃
度が小さすぎると、バッファ層2が低抵抗となって、特
性が劣化する。またInAlAs層4から6及び13か
ら15は、同じIn組成のIn(Al,Ga)Asを用
いても良い。この場合、価電子帯のエネルギー不連続の
値が小さくなるが、Al組成として0.3から0.5程
度では良好な結果が得られる。またチャネル層はInA
sを用いたが、GaSbを用いてもよく、また層構造も
In(Al,Ga)Asに限らず、例えば(Al,Ga
)(Sb,As)のように、チャネル層との格子定数の
違いが4%nm程度以下となるような材料の組み合わせ
のとき同様な結果が得られる。また、InPに比べて廉
価なGaAs基板を用いてもよい。このとき、バッファ
層2との間に格子不整合が生ずるが、バッファ層2の厚
さを1μm以上にすることにより、良好な結果を示す。
In this example, the Al composition x of the InAlAs layer is 0.6, and the Al composition x of the In(Al,Ga)As layer is 0.6.
Although 0.3 and 0.2 were used as the l composition y and the Ga composition z, respectively, x was about 0.4 to 0.6, and the combination of y and z was 0.2, 0.3 to 0. Similar results can be obtained using a value of about 5.0. However, if the Al concentration is too low, the buffer layer 2 will have low resistance and its characteristics will deteriorate. InAlAs layers 4 to 6 and 13 to 15 may be made of In(Al,Ga)As having the same In composition. In this case, although the value of energy discontinuity in the valence band becomes small, good results can be obtained with an Al composition of about 0.3 to 0.5. Also, the channel layer is InA
Although GaSb was used, GaSb may also be used, and the layer structure is not limited to In(Al,Ga)As, for example, (Al,Ga).
) (Sb, As), a similar result can be obtained with a combination of materials such that the difference in lattice constant from the channel layer is about 4% nm or less. Furthermore, a GaAs substrate, which is cheaper than InP, may be used. At this time, a lattice mismatch occurs between the buffer layer 2 and the buffer layer 2, but good results are obtained by setting the thickness of the buffer layer 2 to 1 μm or more.

【0026】本実施例では、PチャネルFETの方が基
板から遠い側に配置されていたが、N及びPチャネルF
ETの両者の配置を逆にしても、同様な結果が得られる
。Nチャネルでも良好な結果が得られる。また、Nチャ
ネル部分には、InGaAsあるいはGaAsを用いれ
ば、N及びPチャネルFETの性能の似通った相補型F
ETができる。このときは、半絶縁性GaAs基板を用
い、本実施例における層2から17までを、アンドープ
GaAsバッファ層(厚さ:0.6μm)2,アンドー
プGaAsチャネル層(15nm)12,アンドープA
lGaAsスペーサ層(Al組成0.3,2nm)13
,n−InAlAsキャリア供給層(Al組成0.3,
10nm,Si濃度:5×1018/cm2)14,ア
ンドープInAlAs層(Al組成0.3,10nm)
15,アンドープGaAs素子間分離層(厚さ:0.2
μm)16,アンドープIn(Al,Ga)Asバッフ
ァ層(Al組成0.3,Ga組成0.2,厚さ:0.6
μm)17とすればよい。
In this embodiment, the P-channel FET was placed on the side farther from the substrate, but the N- and P-channel FETs
Similar results can be obtained by reversing the arrangement of both ETs. Good results can also be obtained with N channels. In addition, if InGaAs or GaAs is used for the N-channel part, a complementary type FET with similar performance to the N- and P-channel FETs can be used.
ET is possible. At this time, a semi-insulating GaAs substrate was used, and layers 2 to 17 in this example were composed of an undoped GaAs buffer layer (thickness: 0.6 μm) 2, an undoped GaAs channel layer (15 nm) 12, an undoped A
lGaAs spacer layer (Al composition 0.3, 2 nm) 13
, n-InAlAs carrier supply layer (Al composition 0.3,
10 nm, Si concentration: 5 x 1018/cm2) 14, undoped InAlAs layer (Al composition 0.3, 10 nm)
15, Undoped GaAs element isolation layer (thickness: 0.2
μm) 16, undoped In(Al,Ga)As buffer layer (Al composition 0.3, Ga composition 0.2, thickness: 0.6
μm) may be set to 17.

【0027】[0027]

【発明の効果】本発明によれば、2元系の化合物半導体
のひずみチャネルにより、アロイ散乱の抑制によりキャ
リアの移動度を向上することができ、電界効果トランジ
スタに適用したとき、大きな効果が得られる。
[Effects of the Invention] According to the present invention, carrier mobility can be improved by suppressing alloy scattering using a strained channel of a binary compound semiconductor, and a great effect can be obtained when applied to a field effect transistor. It will be done.

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

【図1】本発明の一実施例を示す電界効果トランジスタ
の断面図。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a field effect transistor showing one embodiment of the present invention.

【図2】本発明の一実施例を示す半導体装置の断面図。FIG. 2 is a cross-sectional view of a semiconductor device showing an embodiment of the present invention.

【図3】キャリア移動度のチャネル材料依存性。FIG. 3: Dependence of carrier mobility on channel material.

【図4】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。
FIG. 4 is a characteristic curve diagram showing the drain voltage dependence of drain current.

【図5】本発明の一実施例を示す相補型電界効果トラン
ジスタの断面図。
FIG. 5 is a cross-sectional view of a complementary field effect transistor showing an embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…半絶縁性InP基板、2…アンドープInAlAs
バッファ層、3…アンドープInAsチャネル層、4…
アンドープIn(Al,Ga)As層、5…p−In(
Al,Ga)As層、6…アンドープIn(Al,Ga
)As層、7…p−GaAsキャップ層、8…ソース電
極、9…ドレイン電極、10…ゲート電極、11…Si
O2 膜、12…アンドープInAsチャネル層、13
…アンドープIn(Al,Ga)As層、14…p−I
n(Al,Ga)As層、15…アンドープIn(Al
,Ga)As層、16…アンドープGaAs素子間分離
層、17…アンドープInAlAsバッファ層、18…
n−InAsオーミック層。
1... Semi-insulating InP substrate, 2... Undoped InAlAs
Buffer layer, 3... Undoped InAs channel layer, 4...
Undoped In(Al,Ga)As layer, 5...p-In(
Al, Ga) As layer, 6... undoped In(Al, Ga)
) As layer, 7... p-GaAs cap layer, 8... source electrode, 9... drain electrode, 10... gate electrode, 11... Si
O2 film, 12... Undoped InAs channel layer, 13
...Undoped In(Al,Ga)As layer, 14...p-I
n(Al,Ga)As layer, 15... undoped In(Al
, Ga)As layer, 16... undoped GaAs element isolation layer, 17... undoped InAlAs buffer layer, 18...
n-InAs ohmic layer.

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】電界効果トランジスタにおいて、半導体基
板、あるいは基板上に成長されたエピタキシャル層上に
形成された第1の半導体層と、該第1の半導体層上に形
成されたチャネル層を具備し、該第1の半導体層のバン
ドギャプが比較的大きな3元以上の化合物半導体を用い
、チャネル層に比較的格子定数が小さくバンドギャップ
の小さな2元化合物半導体を用いることを特徴とする電
界効果トランジスタ。
1. A field effect transistor, comprising: a first semiconductor layer formed on a semiconductor substrate or an epitaxial layer grown on the substrate; and a channel layer formed on the first semiconductor layer. A field effect transistor characterized in that the first semiconductor layer uses a ternary or higher compound semiconductor with a relatively large band gap, and the channel layer uses a binary compound semiconductor with a relatively small lattice constant and a small band gap.
【請求項2】上記チャネル層は不純物を意識的には含ま
ないアンドープ層であり、N乃至P型不純物を含むキャ
リア供給層と空間的に分離された、HEMT構造を持つ
ことを特徴とする請求項1記載の電界効果トランジスタ
2. The channel layer is an undoped layer that does not consciously contain impurities, and has a HEMT structure that is spatially separated from a carrier supply layer that contains N- to P-type impurities. Item 1. Field effect transistor according to Item 1.
【請求項3】上記チャネル層が、Nチャネルのときには
InAsであり、PチャネルのときにはInAsあるい
はGaSbであることを特徴とする請求項1乃至2記載
の電界効果トランジスタ。
3. The field effect transistor according to claim 1, wherein the channel layer is InAs when the channel layer is an N channel, and InAs or GaSb when the channel layer is a P channel.
【請求項4】上記キャリア供給層及び第1の半導体層が
、InAsのIn原子の一部をGa乃至Al原子で置換
したIn(Al,Ga)As乃至、AlGaSbのSb
原子の一部をAs原子で置換したAlGa(As,Sb
)であることを特徴とする請求項1乃至3何れか記載の
電界効果トランジスタ。
4. The carrier supply layer and the first semiconductor layer are made of In(Al,Ga)As in which a part of In atoms in InAs are replaced with Ga or Al atoms, or Sb in AlGaSb.
AlGa(As,Sb) in which some of the atoms are replaced with As atoms
) The field effect transistor according to any one of claims 1 to 3, characterized in that:
【請求項5】上記基板にGaAs乃至InPを用い、上
記第1の半導体層の厚さが1μm以上であることを特徴
とする請求項1乃至4何れか記載の電界効果トランジス
タ。
5. The field effect transistor according to claim 1, wherein the substrate is made of GaAs or InP, and the first semiconductor layer has a thickness of 1 μm or more.
【請求項6】上記基板にGaAs乃至InPを用い、上
記第1の半導体層が基板に格子整合する組成からキャリ
ア供給層に格子整合する組成までIn濃度を変化させた
、In(Al,Ga)Asであることを特徴とする請求
項1乃至4何れか記載の電界効果トランジスタ。
6. In(Al, Ga), wherein the substrate is made of GaAs or InP, and the first semiconductor layer has an In concentration varying from a composition lattice-matched to the substrate to a composition lattice-matched to the carrier supply layer. 5. The field effect transistor according to claim 1, wherein the field effect transistor is made of As.
【請求項7】上記バッファ層に用いたIn(Al,Ga
)AsにおけるIn原子の組成比、或いはAlGa(A
s,Sb)におけるSbの組成比が0.7 以上であり
、かつ上記チャネル層の厚さが20nm以下であること
を特徴とする請求項3乃至6何れか記載の電界効果トラ
ンジスタ。
7. In(Al, Ga) used for the buffer layer.
) The composition ratio of In atoms in As, or the composition ratio of In atoms in AlGa(A
7. The field effect transistor according to claim 3, wherein the composition ratio of Sb in S, Sb) is 0.7 or more, and the thickness of the channel layer is 20 nm or less.
【請求項8】上記請求項1乃至7何れか記載の電界効果
トランジスタを、NチャネルとPチャネル電界効果トラ
ンジスタのうちいずれか、あるいは両方に用い、かつN
チャネルとPチャネル電界効果トランジスタを同一基板
上に形成したことを特徴とする相補型電界効果トランジ
スタ。
8. The field effect transistor according to any one of claims 1 to 7 is used as either or both of an N channel and a P channel field effect transistor, and
A complementary field effect transistor characterized in that a channel field effect transistor and a P channel field effect transistor are formed on the same substrate.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2006100820A (en) * 2004-09-24 2006-04-13 Internatl Rectifier Corp Power semiconductor device

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