JPH05211178A - 調節されたエネルギ帯を有する薄膜形電界効果トランジスタ - Google Patents

調節されたエネルギ帯を有する薄膜形電界効果トランジスタ

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JPH05211178A
JPH05211178A JP4181143A JP18114392A JPH05211178A JP H05211178 A JPH05211178 A JP H05211178A JP 4181143 A JP4181143 A JP 4181143A JP 18114392 A JP18114392 A JP 18114392A JP H05211178 A JPH05211178 A JP H05211178A
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transistor
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Jean-Michel Gerard
ジヤン−ミシエル・ジエラール
Jacques Favre
ジヤツク・フアーブル
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France Telecom R&D SA
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CENTRE NAT ETD TELECOMM
Centre National dEtudes des Telecommunications CNET
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 調節されたエネルギ帯を有する薄膜形電界効
果トランジスタを提供する。 【構成】 このトランジスタは、伝導半導体層からなる
少なくとも1つの第1の積層体(6)と、半導体層から
なる少なくとも1つの第2の積層体であって、該積層体
に移動電荷ドナーの特性を与える単一の高度にドープし
た薄膜(18)を含む積層体(8)とを含み、これらの
積層体が互いに積重した状態で基板(2)に支持されて
いる。このトランジスタは更に、前記第2の積層体のキ
ャリヤ濃度を低下させるために前記第2の積層体中で前
記高度にドープされた薄膜の両側にそれぞれ配置された
少なくとも2つのポテンシャル障壁(17、19)と、
前記第1の積層体の電荷キャリヤ濃度を変えるために前
記第2の積層体上に配置された金属ゲート(G)と、該
ゲートを挟んで前記積層体のうちいずれか一方の積層体
上に配置されており、それぞれソース及びドレインの役
割を果たす2つのオーム接触(S、D)とを含んでい
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、特に遠隔測定工学、集
積光学及び通信の分野で使用するための電子回路又は光
電子回路の製造に主として使用し得る、調節されたエネ
ルギ帯を有する薄膜形電界効果トランジスタに関する。
【0002】本発明はより特定的には、1つ又は複数の
伝導チャネルと被変調移動電荷(modulated
mobile charges)とを有する半導体構造
物、例えばTEGFET(two−dimension
al electron gas field eff
ect transistor、二次元電子ガス電界効
果トランジスタ)形の電界効果トランジスタ構造体、並
びにTEGFETから派生した構造体、例えばHEMT
(high electron mobility t
ransistor、高電子移動度トランジスタ)、M
ODFET(modudlation or dope
d field effect transisto
r、ドープした変調電界効果トランジスタ)及びDMT
(doped metal−insulant−sem
iconductor(MIS)transisto
r、ドープした金属−絶縁膜−半導体(MIS)トラン
ジスタ)に関する。
【0003】
【従来の技術】これらの電界効果トランジスタの原理は
良く知られている。
【0004】参考文献としては特に、1982年6月の
IEEE Transactions on Elec
tron Devices,vol.ED−29,n
o.6、955〜960ページに記載されている、TE
GFETの機能に関するD.Delagebeaude
uf及びN.T.Linhの論文“Metal−(n)
AlGaAs−GaAs two−dimension
al electongaz FET(金属−(n)A
lGaAs−GaAs二次元電子ガスFET)”、並び
に1988年7月のIEEE Transaction
s on Electron Devices,vo
l.35,no.7、871〜878ページに記載され
ている、MODFETの機能に関するM.C.Fois
yらの論文“The role of ineffic
ient charge modulation in
limiting the current−gai
ncutoff frequency of the
MODFET(MODFETの電流−利得の遮断周波数
の制限における無効果な電荷変調の役割)”が挙げられ
る。
【0005】この種の構造体は、ドープした又はドープ
してない異なる種類の半導体層を通常は半絶縁性の基板
材料上に積層状にデポジットすることによって得られ
る。機能は、移動電荷ドナー層を構成する特定のドープ
した層から、トランジスタの1つ又は複数の伝導チャネ
ルを構成する別のドープした又はドープしてない層への
電荷(電子又は正孔)転送の原理に基づく。この半導体
構造物の表面に配置された金属ゲートは、これらの各層
の電荷キャリヤ濃度を変化させ且つ該コンポーネントの
伝導特性を制御することを可能にする。この半導体積層
体上には、前記ゲートの両側に配置されたソース及びド
レインを構成する2つの金属接触も存在する。
【0006】この種の構造体では、特に極超短波での性
能特性の向上に欠かせない要因の1つは、移動電荷キャ
リヤ、電子又は正孔の空間分布である。
【0007】このコンポーネントの体積は2つのサブ領
域(subdomain)に分割される。1つは電気伝
導チャネル(SD1)、もう1つは残りの半導体層(S
D2)、例えば移動電荷ドナー層並びに通常は基板と伝
導チャネルとの間に挿入されている緩衝層である。
【0008】このコンポーネントのサブ領域の一方にお
ける移動電荷濃度は、ミニバンド(miniband)
が一定であれば、このミニバンドのキャリヤ濃度と当該
サブ領域にこのミニバンドのキャリヤが存在する確率と
の積であると定義される。サブ領域SD1の移動電荷総
濃度はNS1と称し、サブ領域SD2の移動電荷総濃度
はNS2と称する。
【0009】1)遮断周波数 このコンポーネントの電流利得の遮断周波数Fcは下記
の比
【0010】
【数1】
【0011】に比例するとみなし得る。式中、Vgはゲ
ートに印加された電位である。
【0012】どのような用途(低雑音トランジスタ、パ
ワートランジスタ等)でも、所定の作動周波数で、従っ
て固定された最大比dNS2/dNS1で、NS1の値
範囲をできるだけ広くする、即ち0<NS1<NS1l
im[NS1limはNS1の最大限界値である]とす
る試みが行われる。しかしながら、NS1を増加させる
ためにゲート電圧Vgを変えると、比dNS2/dNS
1も同時に増加する。エネルギ帯(移送が電子によって
行われる場合には伝導帯、それ以外は価電子帯)の不連
続性の増加を介して電界効果トランジスタの性能特性を
改善する方法はこれまでも色々研究されてきた。
【0013】電荷転送効率を高め且つ所与のNS1での
比dNS2/dNS1を小さくする方法としては、下記
の2つが提案された: a)1つ又は複数の移動電荷ドナー層(又はサブ領域S
D2)の改質。
【0014】b)伝導が生起する材料(又はサブ領域S
D1)の改質。
【0015】a)電荷ドナー層(SD2)として一般的
に使用されているドープしたIII−V又はII−VI
材料の合金を用いると、例えばアルミニウムを含むII
I−V合金の中心DXのような、ドーピング原子に関連
したキャリヤトラップ(carrier trap)が
発生する。その場合は結合エネルギ(bindinge
nergy)が大きく、従って層SD2から層SD1へ
の電荷転送の効率が制限される。
【0016】サブ領域(SD2)におけるこれらの局在
状態(又は捕獲されたキャリヤ)の存在は、L.D.N
guyenら、Proc.IEEE/Cornell,
Conf.1987,pp.60−69,“AlGaA
s/InGaAs modulation−doped
field effect trnsistors
(MODFET’s)(AlGaAs/InGaAs改
質ドープの電界効果トランジスタ(MODFET))”
に記載のようなGaAs又はInP基板上に形成したト
ランジスタの性能特性を制限する。
【0017】GaAs基板上では、結晶格子の観点に基
づいて調整した合金In0・51Ga0・49Pについてはこれ
らの作用が制限されるようであるが、ヘテロ接合の高さ
はAlGaAs/GaAs系で得られるものより低い。
【0018】AlGaAs/GaAs構造では、三元合
金AlGaAsに代えて、周期が比較的短く通常は5n
m以下である超格子を使用することも考えられた。この
超格子はGaAsの薄膜とAlAsの薄膜とを交互に重
ねたものからなる。これらの膜のうちGaAs膜だけが
ドーピングされる。この種の構造は、IEEE/Cor
nell Conf.,199〜208ページ(198
5)に記載のL.H.Camnitzの論文“The
role of charge control on
drift mobility in AlGaAs
/GaAs MODFET’s(AlGaAs/GaA
s MODFET内のドリフトモビリティに及ぼす電荷
制御の役割)”に記述されている。
【0019】この超格子の目的は、エネルギ帯構造は三
元合金AlGaAsに極めて近いが、電荷ドナー不純物
の結合エネルギは小さい材料を得ることにある。この方
法は先験的に、中心DXを抹消して電荷ドナー層の平均
的アルミニウム組成を増加する筈であり、従って電荷ド
ナー層から伝導層への移動電荷転送の効率を高める筈で
あった。しかしながらこの方法は何等の改善ももたらさ
ず、従って電界効果トランジスタの設計者及び製造業者
には採用されなかった。
【0020】b)伝導に使用される材料、即ちサブ領域
SD1の改質に関しては、格子パラメータが整合しない
InxGa1-xAs合金が、それぞれGaAs及びIn
0・53Ga0・47Asの代わりとして、0<x≦1でGaA
s基板上で広く使用されると共に、0.53<x≦1で
InP基板上でも使用されてきた。
【0021】これについては、IEEE Transa
ctions on Electron Device
s,vol.35,no.7、1988年7月、879
〜886ページに記載されている、GaAs上でのIn
0・25Ga0・75Asの使用に関するN.Mollらの論文
“Pulse−doped AlGaAs/InGaA
s pseudomorphic MODFET’s
(パルスドープしたAlGaAs/InGaAs仮像構
造MODFET)”を参照されたい。
【0022】InGaAs合金はGaAs又はIn0・53
Ga0・47Asより小さい禁制帯を有し、従ってエネルギ
帯の不連続性を増加させることができる。しかしながら
この合金の格子パラメータはGaAs及びInPとは異
なり、従って制約(constraint)が存在す
る。そのため使用できるインジウム組成範囲が限定さ
れ、通常はGaAS上で0<x<0.25、InP上で
0.53<x<0.65である。
【0023】このように、公称材料又はベース材料の格
子パラメータに十分に近い格子パラメータを有する材料
の数が制限されていると、比dNS2/dNS1を小さ
くする新しい組合わせの発見は不可能である。
【0024】2)強電流での使用 この種のトランジスタで得られるドレイン電流は通常、
NS1limとゲート下のキャリヤの平均速度との積に
等しい。前記キャリヤ速度は、形状が一定であれば、本
質的に半導体層の種類に依存する。可能な解決方法及び
その限界は前述のパラグラフa)及びb)で述べたもの
と同じである。
【0025】3)直線性 この種のトランジスタでは更に、できるだけ直線的な電
流−電圧応答を得る試みがなされる。しかしながら、ト
ランジスタの応答の直線性は、サブ領域(SD1及びS
D2)の間の構造体及びサブ領域SD1内の電荷分布の
変化に影響される。
【0026】より詳細には、各ミニバンドに関連した存
在確率密度(presence probabilit
y densities)がゲートに印加された電圧の
変化に伴って変形し、そのためゲートに対する電子の平
均的位置が変化する。その結果、伝導チャネルのキャリ
ヤ濃度の非直線的電圧変化が生じる。この現象は、Al
GaAs/InGaAs/GaAsに代えてAlGaA
s/InGaAS/AlGaAsを使用するだけで制限
することができた。
【0027】これについては、Proc.GaAs a
nd related compounds,Jers
ey,1990に記載のC.Gaonachらの論文
“Characterization of pseu
domorphic HEMTstructures
AlGaAs/InGaAs/AlGaAs(仮像HE
MT構造のAlGaAs/InGaAs/AlGaAs
の特性)”を参照されたい。
【0028】HEMTの比dNS2/dNS1を最適化
するためには、キャリヤで満たすことができる被検ミニ
バンドの当該地点での自己エネルギと波動関数とを選択
的に修正すべく、構造体のポテンシャルエネルギの局部
的摂動も使用された。実際、量子力学における摂動論
は、このような局部的ポテンシャル摂動の導入の効果
が、非摂動系における存在確率と前記ポテンシャルとの
重なりの度合いに伴って増加する自己エネルギの変位を
誘起することを立証している。このような局部的摂動は
構造体の薄膜の材料を変えることによって得られる。
【0029】例えば、AlGaAs/GaAs及びAl
GaAs/InGaAs構造体の伝導チャネルにInA
s単層を導入してポテンシャル井戸を形成することが提
案された。これは、Japanese Journal
of Applied Physics,vol.3
0,no.2A,1991年2月、L166〜L169
ページに記載のK.Matsumuraらの論文“A
new high electron mobilit
y transistor(HEMT) struct
ure with a narrow quantum
well formed by inserting
a few monolayersin the c
hannel(チャネル内に幾つかの単層を挿入するこ
とによって形成された狭い量子井戸をもつ新しい高電子
移動度トランジスタ(HEMT)構造)”に記述されて
いる。
【0030】このようにポテンシャル井戸を所与の地点
に導入すると、その地点の存在確率が上昇し、特に摂動
前にその地点での存在確率密度が高ければ、その地点の
エネルギが減少して充填度が高まる。
【0031】また、仏国特許出願FR−A−2 646
290号では、伝導積層体とドナー積層体との間にト
ンネル障壁を形成して伝導積層体からドナー積層体への
電子の通過(動的効果)を阻止するために、ドープした
AlInAsの薄膜をAlGaAs/InGaAs/G
aAs構造体の伝導チャネル界面に沿って導入すること
が提案された。しかしながらこの構想は実施不可能であ
ることが判明した。
【0032】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、公知
の電界効果トランジスタより優れた特性を有する、調節
されたエネルギ帯をもつ薄膜形電界効果トランジスタを
提供することにある。本発明では特に、伝導チャネル及
び移動電荷ドナー層に、それぞれポテンシャル井戸及ポ
テンシャル障壁として機能する薄膜を挿入することによ
って、量子レベルを選択的に操作できるようにする。本
発明に従えば、作動周波数、使用可能ドレイン電流密度
及びこれらコンポーネントの応答直線性が、公知のトラ
ンジスタと比べて改善される。
【0033】
【課題を解決するための手段】本発明はより詳細には、
半絶縁性基板と、互いに積重した状態で前記基板に支持
されている、伝導用半導体層からなる少なくとも1つの
第1の積層体及び移動電荷ドナー半導体層からなる少な
くとも1つの第2の積層体と、前記第2の積層体中にあ
って該積層体にドナー特性を付与する高度にドープされ
た単一の薄膜と、前記第2の積層体のキャリヤ濃度を低
下させるために前記第2の積層体中で前記高度にドープ
された薄膜の両側にそれぞれ配置されており、各々が前
記第2の積層体の残りの層の材料より大きい禁制帯を有
する材料からなる少なくとも1つの絶縁性もしくは半導
体の単層で構成されている少なくとも2つのポテンシャ
ル障壁と、前記第1の積層体の電荷キャリヤ濃度を変え
るために前記第2の積層体上に配置された金属ゲート
と、該ゲートを挟んで前記積層体のうちいずれか一方の
積層体上に配置されており、それぞれソース及びドレイ
ンの役割を果たす2つのオーム接触とを含む電界効果ト
ランジスタを提供する。
【0034】本発明が適用されるトランジスタはより特
定的には、TEGFET及びこれから派生したもの、例
えばHEMT、MDFET、DMT等である。
【0035】半導体構造物の所与の地点にポテンシャル
障壁を導入すると、この地点の移動キャリヤの存在確率
が減少し、この地点のエネルギが増加して当該レベルの
充填度が低下する。この現象は、摂動の前にこの地点で
の存在確率密度が高いほど顕著である。
【0036】本発明は、プレーナドーピング(plan
ar doping)、即ち原子平面(atomic
plane)か又は通常5nm以下の厚みの薄膜に導入
されるドーピングの場合にしか適していない。
【0037】本発明はまた、量子レベルがドーピング面
の近傍で高い存在確率を有するのを効果的に防止するた
めに、2つの障壁でドーピング面を包囲した場合にしか
機能しない。
【0038】ドーピング面を挟んで2つの障壁を使用す
ると、熱力学的平衡状態で、自由キャリヤドナー積層体
のキャリヤ数が少なくなる。換言すれば、この場合は電
子が前記積層体を通る理由が全くない。これは、電子が
通りたがっているのにそれを阻止する(又は阻止しよう
と試みる)より好ましいものである。
【0039】本発明のトランジスタは更に、前記第1の
積層体のキャリヤ濃度を上げるためにこの第1の積層体
中に少なくとも1つのポテンシャル井戸を有すると有利
である。この井戸は、第1の積層体のその他の層の材料
よりも小さい禁制帯を有する材料からなる少なくとも1
つの半導体単層で構成される。伝導帯にポテンシャル井
戸を導入すると、伝導帯におけるキャリヤの存在確率が
高まり、従ってその充填度が増加する。
【0040】電荷ドナー面を挟むようにしてドナー層中
に複数のポテンシャル障壁を使用し、且つ任意に1つ又
は複数のポテンシャル井戸を伝導層中に使用すると、電
気伝導積層体(SD1)のキャリヤ密度を増加させ且つ
伝導積層体(SD2)のキャリヤ密度を減少させること
ができ、その結果、所与のNS1で比dNS2/dNS
1を低下させるか、又は比dNS2/dNS1の最大許
容値でNS1を大きくすることができる。
【0041】また、伝導積層体中のポテンシャル井戸
は、スペース内で特定の準位、特に基本準位を局在せし
める。従って、このようなエネルギ準位に関連した存在
確率密度は、好ましい摂動を生起させる1つ又は複数の
層の周りに集まる。ポテンシャル障壁は、これらの準位
に関連した存在確率密度が伝導層(SD2)方向にスラ
イドしないで、トランジスタのゲートに印加される電圧
範囲全体にわたり局部的に集中した状態を維持できるよ
うにする。
【0042】本発明は、障壁を形成し且つポテンシャル
井戸を設けることができるヘテロ接合を使用する総ての
半導体アセンブリに適用される。禁制帯の広い半導体材
料は通常ポテンシャル障壁を形成し、禁制帯の狭い材料
は原則としてポテンシャル井戸を形成する。
【0043】本発明は特に、総てのIII−V、II−
VI及びIV−IV半導体構造物に適用される。本発明
はより特定的には、GaAs又はInPを基板とする構
造体に適用される。
【0044】基板がGaAsの場合には、1つ又は複数
のポテンシャル井戸以外の第1の積層体の層がInx
1-xAs[但し0≦x<1]からなり、1つ又は複数
のポテンシャル井戸がInxoGa1-xoAs[但しx<x
o≦1]からなり、ポテンシャル障壁以外の第2の積層
体の層がAlyGa1-yAs[但し0<y≦1]からな
り、ポテンシャル障壁がAlyoGa1-yoAs[但しy<
yo≦1]からなる。
【0045】GaAs基板の場合には、ポテンシャル井
戸をInAsで形成し、ポテンシャル障壁をAlAsで
形成するのが好ましい。また、移動電荷ドナー積層体に
は0.20<y<1でAlGaAsを使用する。
【0046】GaAs基板の場合には更に、AlGaA
sドナー層に代えてInzGa1-zP層を0<z≦0.7
で使用し、AlAsポテンシャル障壁に代えてInzo
1- zoP単層を0<zo<zで使用することもできる。
【0047】基板がInPの場合には、1つ又は複数の
ポテンシャル井戸以外の第1の積層体の層をIntGa
1-tAs[但し0.3≦t≦1]で形成し、1つ又は複
数のポテンシャル井戸をIntoGa1-toAs[但しt<
to≦1]で形成し、ポテンシャル障壁以外の第2の積
層体の層をAluIn1-uAs[但し0.3≦u≦1]で
形成し、ポテンシャル障壁をAluoIn1-uoAs[但し
u≦uo≦1]で形成する。InP基板の場合は、In
Asのポテンシャル井戸とAlAsのポテンシャル障壁
とを使用するのが好ましい。
【0048】CdTeを基板とする場合は、Hg1-v
vTe[但し0≦v≦1]の伝導層及び電荷ドナー層
を使用し、障壁層はCdのvoがvo>vであるような
組成物で形成し、ポテンシャル井戸はCdのvoがvo
<vであるような組成物で形成する。但しv及びvoは
0.15より大きい。この値より小さいと材料が半金属
になるからである。
【0049】ポテンシャル障壁及びポテンシャル井戸の
数は、コンポーネントの電気的性能特性が最適となるよ
うに決定される。また、ポテンシャル障壁及びポテンシ
ャル井戸は各々が1つ又は複数の材料単層からなり得
る。
【0050】障壁及び井戸当たりの単層の数は、実際に
は、これらの層の成長に関する技術によって制限され
る。実際、現時点では、結晶格子の観点から見て極めて
不整合な層(格子不整合率>2%)を、それを超えると
デポジット層が高品質ヘテロ構造体の形成には不適当な
三次元成長モードに従うようになる特定の限界を超えて
積み重ねることはできない。
【0051】例えばGaAs上のInAsの場合の前記
限界は現時点では単層2つである。In0・3Ga0・7As
上のInAsの場合には前記限界が単層1つを大きく下
回るため、GaAs/Ga0・7In0・3As/GaAlA
s構造体中でのInAs井戸の使用は無用である。
【0052】しかしながら、このような限界は、挿入層
が基板の格子パラメータにほぼ整合している場合には存
在しない。GaAs基板上のAlAs層はこれに相当す
る。従ってAlAs障壁は、GaAs/GaAlAs又
はGaAs/GaInAs/GaAlAsのTEGFE
T構造体では極めて有用である。
【0053】本発明では、二元材料III−V(II−
VI)の単層が、元素III(II)原子層+元素V
(VI)原子層に対応する。また、三元材料III−V
(II−VI)の単層が、三元材料の元素当たり1つの
原子層の割合で3つの原子層を積重したものに対応す
る。
【0054】例えば、基板がGaAsであり、ドナー層
がAlGaAsであり且つ伝導層がInGaAsの場合
には、各々が2つの単層からなるAlAsポテンシャル
障壁を2〜5個使用し且つ1つのInAs単層からなる
ポテンシャル井戸を使用し得る。
【0055】基板がGaAsであり、電荷ドナー層がA
lGaAsであり且つ伝導層がGaAsの場合には、各
々が2つの単層からなるAlAs障壁を2〜5個、各々
が2つの単層からなるInAsのポテンシャル井戸を2
個使用し得る。
【0056】基板がInPであり、ドナー層がAlIn
Asであり且つ伝導層がInGaAsの場合には、各々
が2〜4個の単層からなるAlAs障壁を2〜5個使用
し且つ各々が2〜4個の単層からなるInAsポテンシ
ャル井戸を1〜5個使用し得る。
【0057】
【実施例】以下、添付図面に基づき非限定的実施例を挙
げて、本発明をより詳細に説明する。
【0058】図1は本発明のTEGFET形単一チャネ
ル電界効果トランジスタを簡単に示している。このトラ
ンジスタは、材料III−Vからなる単結晶質半絶縁性
基板2と、この基板に支持されている意図的にはドープ
していない緩衝層4とを含んでいる。この緩衝層は基板
2と同じ組成を有し、能動半導体層を基板から分離する
役割を果たす。
【0059】前記能動層は、トランジスタの伝導チャネ
ルを構成する意図的にはドープしていないIII−V材
料の半導体層からなる第1の積層体6と、n+ドープし
た移動電荷ドナー半導体層からなる第2の積層体8とを
含む。この実施例では、伝導チャネル6が緩衝層4と移
動電荷ドナー積層体8との間に挟まれている。
【0060】これらの能動層の上表面には、金属製制御
ゲートGと、該ゲートGを挟んで能動層上に配置されて
おり、それぞれソース及びドレインの役割を果たす2つ
のオーム接触S及びDとが具備されている。能動層上の
ソース及びドレインのそれぞれの電気接触は、トランジ
スタのゲートをソース及びドレインから電気的に絶縁す
るようにエッチング処理した、n+ドープしたIII−
V材料の能動層10によって得られる。
【0061】本発明では、積層体8のドナー特性が、厚
さ5nm以下の高度にドープした薄膜18によって与え
られる。また、伝導積層体6には少なくとも1つのポテ
ンシャル井戸12が設けられており、移動電荷ドナー積
層体8には少なくとも2つのポテンシャル障壁17及び
19が具備されている。これらの障壁17及び19は高
度にドープした薄膜18を挟んで位置する。
【0062】ポテンシャル井戸12は、伝導積層体6の
その他の半導体層14及び16よりも小さい禁制帯を有
する意図的にはドープしていないIII−V材料からな
る数個の単層で形成されている。
【0063】ポテンシャル障壁17、19は、移動電荷
ドナー積層体8のその他の半導体層20及び22よりも
大きい禁制帯を有する意図的にはドープしていないII
I−V材料からなる数個の単層で形成されている。
【0064】例えば、基板2がGaAsの場合には、厚
さ2〜20nmの意図的にはドープしていないInx
1-xAs[但し0≦x<1]からなる伝導層14及び
16と、厚さ0.6nm(即ち単層2つ)の意図的には
ドープしていないInAsからなる1つ又は複数のポテ
ンシャル井戸12と、n+ドープした層18と、厚さ2
〜20nmのAlyGa1-yAs[但し0.20<y<
1]からなる移動電荷ドナー層20及び22と、各々の
厚さが0.6nm(即ち単層2つ)である2つ以上のA
lAs障壁層17、19と、厚さ1マイクロメートルの
意図的にはドープしていないGaAsからなる緩衝層4
と、エッチング処理した厚さ100nmのn+ドープし
たGaAsからなる電気接触層10とを使用する。
【0065】移動電荷ドナー積層体8のドーピングは、
1〜10×1012原子/cm2のSiをデポジットする
ことによってAlGaAsの成長を防止し、次いでAl
GaAsの成長を再開することにより行う。その結果、
いわゆるプレーナドーピングが得られる。接触層10で
は1018〜1019原子/cm3のシリコンを使用する。
【0066】以下に、本発明の電界効果トランジスタの
実施例と対比実施例とを挙げる。これらの実施例及び対
比実施例では、種々の層を、n+ドープした半導体電気
接触層から基板に至るまでの順序で示す。
【0067】実施例1 この実施例は、1cm2当たり5×1012のイオン化電
子ドナー原子をプレーナドーピングした単一伝導チャネ
ルのn−Al0・22Ga0・78As/In0・15Ga0・85As
/GaAs形TEGFETに関する。このTEGFET
は、各々が2つの単層からなる3つのAlAsポテンシ
ャル障壁と、各々が2つの単層からなる2つのInAs
ポテンシャル井戸とを含む。
【0068】
【表1】
【0069】nidは、層が意図的にはドーピングされ
ていないという意味である。
【0070】対比実施例 この対比実施例は、1cm2当たり5×1012のイオン
化電子ドナー原子をプレーナドーピングした単一伝導チ
ャネルのn−Al0・22Ga0・78As/In0・15Ga0・85
s/GaAs形TEGFETに関する。このTEGFE
Tは摂動のない先行技術のものである。
【0071】
【表2】
【0072】実施例2 この実施例は、1cm2当たり5×1012のイオン化電
子ドナー原子をプレーナドーピングした単一伝導チャネ
ルのn−Al0・22Ga0・78As/GaAs形TEGFE
Tに関する。このTEGFETは、各々が2つの単層か
らなる3つのAlAsポテンシャル障壁を含む。
【0073】
【表3】
【0074】ドナー層及び緩衝層(サブ領域SD2)の
電子濃度NS2が伝導チャネルに存在する電子の二次元
濃度NS1の約10%である場合の、本発明(実施例
1)のTEGFET、対比実施例で述べた先行技術のT
EGFET、及び本発明(実施例2)のTEGFETの
伝導帯の底部のプロフィルをそれぞれ図2、図3及び図
4に示した。これらのグラフは、バンドエネルギE(m
eV)の変化を半導体構造物中の位置p(nm)の関数
として示すものである。値p=0はドナー積層体8の上
表面(ゲートGと接触する面)に対応する。
【0075】図2、図3及び図4にはトランジスタの半
導体層の種類も示した。図3及び図4のPはドナー層の
ドーピング面を表し、C2、C3及びC4はそれぞれ、
実施例1の摂動トランジスタ、対比実施例の非摂動トラ
ンジスタ及び実施例2の摂動トランジスタの伝導帯のプ
ロフィルを表している。
【0076】図2、図3及び図4の比較から明らかなよ
うに、InAsポテンシャル井戸は、In0・15Ga0・85
As伝導積層体中に存在する2つのミニバンドのエネル
ギを低下させる効果を有し、AlAs障壁は、平行伝導
を部分的に阻止しそれによって当該ミニバンドのエネル
ギ準位を増加させることを可能にする。
【0077】図5の曲線E2、E3及びE4は、それぞ
れ実施例1の構造体、対比実施例の構造体及び実施例2
の構造体に関して、平行伝導の二次元電子濃度NS2の
変化を伝導積層体6の電子濃度NS1の関数として表し
ている。
【0078】図5では、曲線E2、E3及びE4の傾斜
が1/10の点をそれぞれA、B及びFで示し、NS2
/NS1=10%に対応する直線Dを記した。
【0079】実施例1の摂動構造体(曲線E2)で得ら
れる有効電子は、同じ平行伝導NS2/NS1=10%
では、非摂動構造体(曲線E3)の2.2倍である。実
際、NS2/NS1=10%では、非摂動構造体の伝導
積層体で得られる電子が1.7×1012電子/cm2
あるのに対し、本発明の摂動構造体の伝導積層体では
3.7×1012電子/cm2である。
【0080】電荷制御dNS2/dNS1=0.1に近
い値では(曲線E2及びE3の傾斜A及びB)、非摂動
構造体(曲線E3)から本発明の構造体(曲線E2)に
移るとNS1が約3倍になる。
【0081】曲線E3とE4との比較から明らかなよう
に、同じ平行伝導NS2/NS1=10%では、実施例
2の摂動構造体で得られる有効電子が非摂動構造体の場
合より多く、1.7×1012電子/cm2に対して2.
6×1012電子/cm2である。電荷制御dNS/dN
S1=0.1に近い値では(傾斜F及びB)、NS1が
約2倍になる。
【0082】実施例3 この実施例は、1cm2当たり6×1012の電子ドナー
原子をプレーナドーピングした単一伝導チャネルのn−
Al0・48Ga0・52As/In0・53Ga0・47As/InP
形HEMTに関する。この実施例では、合金InGaA
s及びInAlAsがInP基板に実質的に適合してい
る。
【0083】このトランジスタはドナー積層体中に3つ
のAlAsポテンシャル障壁を有し、伝導積層体中に2
つのInAsポテンシャル井戸を有する。このトランジ
スタは更に、電子が伝導チャネルから流出するのを防止
するために電子ドナーではないAl0・48In0・52Asポ
テンシャル障壁層を緩衝層と伝導積層体との間に含んで
いる。
【0084】
【表4】
【0085】実施例4 この実施例は、電子ドナーとしてそれぞれ5×1012
び1.5×1012原子/1cm2の2つのドーピング面
を有する伝導チャネル2つのn−Al0・22Ga0・78As
/In0・15Ga0・85As/GaAs形HEMTに関す
る。このトランジスタは2つの移動電荷ドナー積層体中
に3つのAlAsポテンシャル障壁を有し、2つの電荷
ドナー積層体の間に位置する伝導積層体中に2つのIn
Asポテンシャル井戸を有する。
【0086】
【表5】
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の単一チャネル電界効果トランジスタを
簡単に示す断面図である。
【図2】移動電荷ドナー層及び緩衝層(SD2)の移動
電荷総濃度NS2が伝導チャネルに存在する電子の濃度
の約10%である時の、ポテンシャル障壁数3つ、ポテ
ンシャル井戸数2つの本発明のトランジスタの伝導帯の
底部のプロフィルを示すグラフである。
【図3】移動電荷ドナー層及び緩衝層(SD2)の移動
電荷総濃度NS2が伝導チャネルに存在する電子の濃度
の約10%である時の、摂動を使用しない先行技術のト
ランジスタの伝導帯の底部のプロフィルを示すグラフで
ある。
【図4】移動電荷ドナー層及び緩衝層(SD2)の移動
電荷総濃度NS2が伝導チャネルに存在する電子の濃度
の約10%である時の、ポテンシャル障壁数3つの本発
明のトランジスタの伝導帯の底部のプロフィルを示すグ
ラフである。尚、図2〜図4は、meVで表されるバン
ドエネルギ(E)の変化を半導体構造体中のnmで表さ
れる位置(P)の関数として示すものであり、位置0は
ゲートと接触している能動半導体層の表面に対応する。
【図5】それぞれ図2、図3及び図4のエネルギ帯構造
に関して、平行伝導での二次元電子濃度NS2の変化を
伝導チャネルの電子濃度NS1の関数として示すグラフ
である。
【符号の説明】
2 基板 6 第1の積層体 8 第2の積層体 12 ポテンシャル井戸 17、19 ポテンシャル障壁 G 金属ゲート

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半絶縁性基板と、互いに積重した状態で前
    記基板に支持されている、伝導半導体層からなる少なく
    とも1つの第1の積層体及び移動電荷ドナー半導体層か
    らなる少なくとも1つの第2の積層体と、前記第2の積
    層体中にあって該積層体にドナー特性を付与する高度に
    ドープされた単一の薄膜と、前記第2の積層体のキャリ
    ヤ濃度を低下させるために前記第2の積層体中で前記高
    度にドープされた薄膜の両側にそれぞれ配置されてお
    り、各々が前記第2の積層体のその他の層の材料より大
    きい禁制帯を有する材料からなる少なくとも1つの絶縁
    性もしくは半導体の単層で構成されている少なくとも2
    つのポテンシャル障壁と、前記第1の積層体の電荷キャ
    リヤ濃度を変えるために前記第2の積層体上に配置され
    た金属ゲートと、該ゲートを挟んで前記積層体のうちい
    ずれか一方の積層体上に配置されており、それぞれソー
    ス及びドレインの役割を果たす2つのオーム接触とを含
    む電界効果トランジスタ。
  2. 【請求項2】前記第1の積層体のキャリヤ濃度を上げる
    ためにこの第1の積層体中に少なくとも1つのポテンシ
    ャル井戸を有しており、この井戸が、第1の積層体のそ
    の他の層の材料より小さい禁制帯を有する材料からなる
    少なくとも1つの半導体単層で構成されていることを特
    徴とする請求項1に記載のトランジスタ。
  3. 【請求項3】基板、第1の積層体の層及び第2の積層体
    の層がIII−V材料で形成されていることを特徴とす
    る請求項1に記載のトランジスタ。
  4. 【請求項4】基板がGaAsであり、ポテンシャル井戸
    以外の第1の積層体の層がInxGa1-xAs[但し0≦
    x<1]であり、ポテンシャル井戸がInxoGa1-xo
    s[但しx<xo≦1]であり、ポテンシャル障壁以外
    の第2の積層体の層がAlyGa1-yAs[但し0<y≦
    1]であり、ポテンシャル障壁がAlyoGa1-yoAs
    [但しy<yo≦1]で形成されていることを特徴とす
    る請求項2に記載のトランジスタ。
  5. 【請求項5】ポテンシャル井戸がInAsで形成されて
    おり、ポテンシャル障壁以外の第2の積層体の層がAl
    yGa1-yAs[但し0.20<y<1]であり、ポテン
    シャル障壁がAlAsで形成されていることを特徴とす
    る請求項4に記載のトランジスタ。
  6. 【請求項6】基板がGaAsであり、ポテンシャル井戸
    以外の第1の積層体の層がInxGa1-xAs[但し0≦
    x<1]であり、ポテンシャル井戸がInxoGa1-xo
    s[但しx<xo≦1]であり、ポテンシャル障壁以外
    の第2の積層体の層がInzGa1-zP[但し0<z≦
    0.7]であり、ポテンシャル障壁がInzoGa1-zo
    [但し0<zo≦z]で形成されていることを特徴とす
    る請求項2に記載のトランジスタ。
  7. 【請求項7】ポテンシャル井戸がInAsで形成されて
    おり、ポテンシャル障壁がGaPで形成されていること
    を特徴とする請求項6に記載のトランジスタ。
  8. 【請求項8】基板がInPであり、ポテンシャル井戸以
    外の第1の積層体の層がIntGa1-tAs[但し0.3
    ≦t≦1]であり、ポテンシャル井戸がIntoGa1-to
    As[但しt<to≦1]であり、ポテンシャル障壁以
    外の第2の積層体の層がAluIn1-uAs[但し0.3
    ≦u≦1]であり、ポテンシャル障壁がAluoIn1-uo
    As[但しu<uo≦1]であることを特徴とする請求
    項2に記載のトランジスタ。
  9. 【請求項9】ポテンシャル井戸がInAsであり、ポテ
    ンシャル障壁がAlAsであることを特徴とする請求項
    8に記載のトランジスタ。
  10. 【請求項10】意図的にはドープしてない半導体緩衝層
    が基板と第1の積層体との間に挿入されており、この緩
    衝層が基板と同じ種類の層であることを特徴とする請求
    項1に記載のトランジスタ。
  11. 【請求項11】高度にドープした半導体材料が第2の積
    層体とソースとの間及びドレインとの間に挿入されてお
    り、この材料が基板と同じ種類の材料であることを特徴
    とする請求項1に記載のトランジスタ。
  12. 【請求項12】TEGFETトランジスタ又は該トラン
    ジスタから派生したトランジスタであることを特徴とす
    る請求項1に記載のトランジスタ。
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