JPH0555263A - One-dimensional channel carrier transistor - Google Patents

One-dimensional channel carrier transistor

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JPH0555263A
JPH0555263A JP21187891A JP21187891A JPH0555263A JP H0555263 A JPH0555263 A JP H0555263A JP 21187891 A JP21187891 A JP 21187891A JP 21187891 A JP21187891 A JP 21187891A JP H0555263 A JPH0555263 A JP H0555263A
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JP
Japan
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dimensional
channel carrier
carrier transistor
dimensional channel
layer
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Application number
JP21187891A
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Japanese (ja)
Inventor
Akiyoshi Sawada
明美 佐和田
Toshiyuki Usagawa
利幸 宇佐川
Harunori Sakaguchi
春典 坂口
Tadaitsu Tsuchiya
忠厳 土屋
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Hitachi Cable Ltd
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Cable Ltd
Hitachi Ltd
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To reduce noises in a high frequency by a method wherein a one- dimensional electronic structure, which is formed on the side surface of a semi conductor having a serrate section, is used as the active layer if a FET. CONSTITUTION:An undoped GaAs layer 11 formed by a periodic multiple line having a serrate section structure is provided on a GaAs substrate 10. Moreover, an N-type AlGaAs layer 13 is provided in such a way as form a heterojunction between the layer 11 and the layer 13. Here, the layer 13 has an impurity region doped with a conductivity type impurity. Accordingly, a one-dimensional carrier region is formed along the line of a heterojunction interface having a serrate section. A gate electrode 20 is formed on the serrate structure from the side over the substrate to constitute a one-dimensional channel carrier transistor. Thereby, fluctuations in the passage path of a charge carrier can be suppressed in one-dimensional manner and channel carrier density 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1次元チャネルキャリア
トランジスタに係り、特に高周波対応性、低ノイズ特性
の要求される衛星放送、セルラ無線等の送・受信機にお
ける増幅器として用いて好適な1次元チャネルキャリア
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 one-dimensional channel carrier transistor, and particularly to a one-dimensional channel carrier transistor suitable for use as an amplifier in a transmitter / receiver for satellite broadcasting, cellular radio, etc., which is required to have high frequency compatibility and low noise characteristics. The present invention relates to a channel carrier transistor.

【0002】[0002]

【従来の技術】日本では、1987年7月より、DBS
(Direct Broadcasting Satellite Service:衛星放送
直接受信サービス)による24時間テレビ放送が開始さ
れ、DBS受信システムの高性能化への要求が強まって
いる。また、受信フロントエンドでのHEMT(High El
ectron Mobility Transistor)の採用により、急激にそ
の需要が増加している。
2. Description of the Related Art In Japan, since July 1987, DBS
The 24-hour television broadcasting by the (Direct Broadcasting Satellite Service) has started, and the demand for higher performance of the DBS receiving system is increasing. In addition, HEMT (High El
ectron Mobility Transistor) has led to a rapid increase in demand.

【0003】実際、ゲート長Lg=0.25〜0.3μ
mレベルにおけるAlGaAs/GaAs系HEMTで
0.9dB、AlGaAs/InGaAs Pseudomorph
icHEMTで0.5dBのNF(ノイズ指数)が、12
GHz帯で達成されている。これらについては例えば、
文献1:ザサード アジア パシフィック マイクロウエ
ーブ カンファレンス プロシーディングズ、東京、19
90年、第951−954頁( The 3rd Asia-Pasific M
icrowave Conference Proceedings, Tokyo,1990, pp.95
1-954)あるいは文献2:イクステンディド アブストラ
クトオブ ザトゥエンティ ファースト カンファレンス
オン ソリッド ステイト ディバイシズ アンド マテリ
アルズ、東京、1989年、第285−288頁(Exten
dedAbstract of the 21st Conference on Solid State
Devices and Materials, Tokyo, 1989, pp.285-288)を
参照されたい。
Actually, the gate length L g = 0.25 to 0.3 μ
0.9dB in AlGaAs / GaAs HEMT at m level, AlGaAs / InGaAs Pseudomorph
icHEMT has an NF (noise figure) of 0.5 dB of 12
It has been achieved in the GHz band. For these, for example
Reference 1: The Third Asia Pacific Microwave Conference Proceedings, Tokyo, 19
1990, pp. 951-954 (The 3rd Asia-Pasific M
icrowave Conference Proceedings, Tokyo, 1990, pp.95
1-954) or Ref. 2: Extented Abstract of the Twenty First Conference
On Solid State Devices and Materials, Tokyo, 1989, pp. 285-288 (Exten
dedAbstract of the 21st Conference on Solid State
Devices and Materials, Tokyo, 1989, pp.285-288).

【0004】ところで、アンテナの小型化、個人機器の
無線通信システムの普及などには、さらに低消費電力
で、ノイズ指数の優れたFET(電界効果型トランジス
タ)が必要とされているが、結晶構造、ゲート構造の最
適化などでの改善は既に技術が飽和状態にあり、現在以
上にNFを画期的に低減することは困難になってきてい
る。
By the way, in order to miniaturize antennas and spread wireless communication systems for personal devices, FETs (field-effect transistors) with lower power consumption and excellent noise index are required. As for the improvement in optimization of the gate structure and the like, the technology is already in a saturated state, and it is becoming more difficult to reduce NF dramatically.

【0005】一方、一次元電子ガス(1DEG)系をF
ETの能動層に用いるという1DEG−FETのアイデ
アがだされ、そのデバイス特性が例えば文献3:アイ・
イー・イー・イー、アイディーイーエム、1989年、
89−125、第5.8.1−5.8.4頁(IEEE, IE
DM, 1989, 89-125, pp.5.8.1-5.8.4)に検討されてい
る。
On the other hand, a one-dimensional electron gas (1DEG) system is
The idea of 1DEG-FET to be used for the active layer of ET has been proposed, and its device characteristics are, for example, Document 3: Eye
EE, IDM, 1989,
89-125, pp. 5.8.1-5.8.4 (IEEE, IE
DM, 1989, 89-125, pp.5.8.1-5.8.4).

【0006】この一次元FETの素子平面図と断面図を
図2(a)及び(b)に示す。通常のHEMT構造をM
BE(分子線エピタキシー)などの技術で形成し、幅約
0.15μm程度の細線領域30を残してメサエッチ除
去し(31部分)、一次元の細線を並べ、0.3μmレ
ベルのゲート長Lgを実現する。ゲート電極20とソー
ス、ドレイン電極21、22を各々形成する。
An element plan view and a sectional view of this one-dimensional FET are shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b). Normal HEMT structure is M
It is formed by a technique such as BE (molecular beam epitaxy) and is removed by mesa etching leaving a fine line region 30 having a width of about 0.15 μm (31 part), one-dimensional fine lines are arranged, and a gate length L g of 0.3 μm level is formed. To achieve. A gate electrode 20 and source / drain electrodes 21 and 22 are formed respectively.

【0007】n+AlGaAs13、i−AlGaAs
(アンドープ層)12とアンドープi−GaAs層の界
面に二次元電子ガス(2DEG)が形成され、線幅0.
15μmの一次元領域(非常に細い線状領域)30が、
メサエッチで除去された線幅0.2μmのデッドスペー
ス31を隔てて多重に形成されている。このような構造
の1DEG−FETを試作してみると、簡単な理論から
予測される一次元効果が文献4:ジャパニーズ ジャー
ナル オブ アプライド フィジクス、第19巻、198
0年、第L735−L738頁(Japanese Journal of
Applied Physics,Vol.19, 1980, pp.L735-L738)に示さ
れている。すなわち低電界領域での移動度の増大の効果
は、4Kの極低温においてさえ見出されなかった。ま
た、12GHzで、ソース・ドレイン電流IDS=10m
Aの時のNFも1.5dBと、通常のHEMT構造に比
べても悪い値しか得られなかった。
N + AlGaAs 13, i-AlGaAs
A two-dimensional electron gas (2DEG) is formed at the interface between the (undoped layer) 12 and the undoped i-GaAs layer, and a line width of 0.
The one-dimensional area (very thin linear area) 30 of 15 μm
Multiple layers are formed with a dead space 31 having a line width of 0.2 μm removed by mesa etching. A trial production of a 1DEG-FET having such a structure shows a one-dimensional effect predicted from a simple theory. Reference 4: Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 19, 198
Year 0, pages L735-L738 (Japanese Journal of
Applied Physics, Vol. 19, 1980, pp. L735-L738). That is, the effect of increasing the mobility in the low electric field region was not found even at an extremely low temperature of 4K. Also, at 12 GHz, the source / drain current I DS = 10 m
The NF at A was also 1.5 dB, which was only a bad value as compared with the normal HEMT structure.

【0008】さらに、通常、ディープ(Deep)リセス構
造のHEMT、例えば文献5:特開昭62−20071
1号公報に示された構造または前記文献1に開示される
素子断面構造では、トランジスタ幅wとして200μm
で、IDs=10mAの時のNFも0.8〜1.0dBを
実現できるのに、図2に示す1DEG−FETでは、I
Dsを10mA流すためにはトランジスタ幅wとして60
0μmを必要とした。
Further, a HEMT having a deep recess structure is generally used, for example, Reference 5: JP-A-62-20071.
In the structure shown in Japanese Patent Laid-Open No. 1 or the element cross-sectional structure disclosed in Document 1, the transistor width w is 200 μm.
Then, although the NF when I Ds = 10 mA can be realized at 0.8 to 1.0 dB, the 1DEG-FET shown in FIG.
Transistor width w is 60 to flow Ds of 10 mA.
0 μm was required.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】以上のように所要トラ
ンジスタ幅wが3倍も大きくなる理由は、1DEG−F
ETでは、(1)電流の流れないデッドスペース31が
存在(幅w1〜0.2μm)する、(2)メサ段差に集
まる両サイドのゲート電極金属20による空乏層のた
め、一次元電子系のリソグラフィーによる幅(w0
0.15μm)よりも実際に有効な幅は上記一次元細線
幅の約70%程度と見積もられる、などによるものと考
えられる。
As described above, the reason why the required transistor width w becomes three times larger is that the 1DEG-F
In the ET, (1) there is a dead space 31 in which no current flows (width w 1 to 0.2 μm), (2) a depletion layer due to the gate electrode metal 20 on both sides gathering at the mesa step, so that the one-dimensional electron system Lithographic width (w 0 ~
It is considered that the width actually more effective than 0.15 μm is estimated to be about 70% of the width of the one-dimensional thin line described above.

【0010】これらの理由により一次元領域を単純に並
べただけでは、1つのGaAsウエーハから通常のHE
MT構造で1万個のFETが取れるとき、1DEG−F
ETでは4000個程度しか取れず、コストの大幅な上
昇を招く、FETの大きさが数倍程度になるといった生
産技術的問題生じる。
For these reasons, simply arranging the one-dimensional regions simply changes one GaAs wafer to a normal HE.
When 10,000 FETs can be taken with MT structure, 1DEG-F
With ET, only about 4000 pieces can be obtained, which causes a significant increase in cost and causes a problem in production technology such that the size of the FET becomes several times larger.

【0011】発明者等は、HEMTとMESFETのノ
イズ特性の違いを解析した結果、従来の仮説とは異なる
以下に説明する一般理論を見出した。まず、電界効果型
トランジスタにおいて生ずる雑音は、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ー
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。ここではこれを真性ノイズと呼ぶ。これに対
し、結晶中の欠陥、ソース・ゲート間の表面準位等に由
来するGaAs材料固有の原因により電子の流れが乱さ
れて発生するノイズは、GaAsMESFET、GaA
sHEMTに共通のノイズ要因であり、いわば寄生ノイ
ズと呼ぶことができる。さらにこの寄生ノイズには、ソ
ースゲート抵抗Rsg、ゲート抵抗Rgに由来する部分
も存在する。
As a result of analyzing the difference in noise characteristics between HEMT and MESFET, the inventors found a general theory described below, which is different from the conventional hypothesis. First, the noise generated in a field-effect transistor is the classical electron streamline in which electrons flow from the source to the drain (streamline showing the flow of electrons when regarded as a simple fluid: easily defined from the analogy of fluid dynamics). Due to fluctuations and turbulence due to thermal motion from. This is called intrinsic noise here. On the other hand, the noise generated by disturbing the electron flow due to the peculiar cause of the GaAs material, such as the defect in the crystal and the surface level between the source and the gate, is generated by GaAs MESFET
It is a noise factor common to sHEMTs and can be called, so to speak, parasitic noise. Further, this parasitic noise also has a portion derived from the source gate resistance Rsg and the gate resistance Rg.

【0012】HEMTとGaAsMESFETのノイズ
の差は、MESFETの場合、この古典的電子流線から
三次元的に揺らぐのにたいして、HEMTの場合本質的
に二次元的にしかゆらぐことができないことに起因して
いる。
The difference in noise between HEMT and GaAs MESFET is due to the fact that, in the case of MESFET, the three-dimensional fluctuation from the classical electron streamlines is essentially two-dimensional in the case of HEMT. ing.

【0013】MESFETにおいては能動層(チャネ
ル)が三次元的(バルク的)であり、従って、電子は電
子流線の周りに三次元的にゆらぐことができる。すなわ
ち、古典的電子流線からのゆらぎを三次元的にする。一
方、HEMTにおいては、AlGaAs/GaAs界面
に二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ている。このため、古典的電
子流線も、二次元的になり、上記ヘテロ界面に対して垂
直方向のゆらぎが抑制され、古典的電子流線からのゆら
ぎはヘテロ界面の面内で二次元のみになってしまう。
In the MESFET, the active layer (channel) is three-dimensional (bulk-like), so that the electrons can three-dimensionally fluctuate around the electron streamline. That is, the fluctuations from the classical electron streamlines are made three-dimensional. On the other hand, in the HEMT, since the electrons are two-dimensionally confined in the AlGaAs / GaAs interface, the movement direction of the electrons is mainly limited. Therefore, the classical electron streamlines are also two-dimensional, the fluctuations in the direction perpendicular to the above heterointerface are suppressed, and the fluctuations from the classical electron streamlines are only two-dimensional within the plane of the heterointerface. Will end up.

【0014】真性ノイズはゆらぎの自由度に対する対数
量で与えられるので、三次元方向のノイズを1とする
と、二次元方向のノイズは2/3となる。これは、三次
元ゆらぎの自由度が10の3/3乗に比例し、二次元ゆ
らぎの自由度は10の2/3乗に比例することに起因す
る。
Since the intrinsic noise is given as a logarithmic quantity with respect to the degree of freedom of fluctuation, assuming that the noise in the three-dimensional direction is 1, the noise in the two-dimensional direction is 2/3. This is because the degree of freedom of three-dimensional fluctuation is proportional to 10 3/3, and the degree of freedom of two-dimensional fluctuation is proportional to 10 2/3.

【0015】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。二次元チャネ
ルを能動層に用いることにより、電子散乱の自由度を三
次元から二次元に小さくした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ものであ
る。
By the way, noise at a high frequency is generated by scattering of electrons and heat generation. In a HEMT in which the degree of freedom of electron scattering is reduced from three-dimensional to two-dimensional by using a two-dimensional channel in the active layer, this heat generation is suppressed and noise can be reduced.

【0016】図4(a)は、通常のHEMT構造素子の
平面図である。本図を用いてさらにノイズの発生機構に
ついて説明する。ソース電極21のある1点60から発
射された電子は、電界によりドリフト拡散しながらゲー
ト電極20の領域に到達する。ところで、ソースから発
射された電子は、ゲート方向(x方向)には電界によっ
て加速されるが、ゲートと平行な方向(y方向)には電
界が存在していないため、拡散のみで支配される。2D
EGの拡散係数をDとし、ゲート電極までの到達時間を
τsとすると、ソース21上の点60から出発した電子
がゲート20方向に移動して到達する位置は、すなわち
ランダムな電子のパス51の平均的な電子の到達地点
は、ソース側ゲート電極において点60をx方向に移動
した点64からlsだけ広がった領域のいずれかの点と
なる。
FIG. 4A is a plan view of an ordinary HEMT structure element. The noise generation mechanism will be further described with reference to this drawing. The electrons emitted from one point 60 on the source electrode 21 reach the region of the gate electrode 20 while drift-diffusing by the electric field. By the way, the electrons emitted from the source are accelerated by the electric field in the gate direction (x direction), but do not exist in the direction parallel to the gate (y direction), and therefore are dominated by diffusion only. .. 2D
Assuming that the diffusion coefficient of EG is D and the arrival time to the gate electrode is τ s , the position where the electron starting from the point 60 on the source 21 moves in the direction of the gate 20 and arrives is the random electron path 51. The average arrival point of the electron is in any one of the regions in the source side gate electrode, which is expanded by l s from the point 64 obtained by moving the point 60 in the x direction.

【0017】ここで、上記拡散係数Dは、数1で与えら
れ、拡散距離lsは数2で与えられる。
Here, the diffusion coefficient D is given by the equation 1, and the diffusion distance l s is given by the equation 2.

【0018】 D=kTμ/q ・・・・(数1) ここで、kはボルツマン定数、Tは絶対温度、μは電子
の移動度、qは電荷素量を表す。
D = kTμ / q (Equation 1) where k is Boltzmann's constant, T is absolute temperature, μ is electron mobility, and q is elementary charge.

【0019】 ls=√(Dτs) ・・・・(数2) いま、2DEGの移動度μ=8,000cm2/V・
s、kT=24.8meV(室温)とすると、D=19
8.4cm2/V・sになる。τsとして1psec(=
10-12sec)を典型的な値としてとると、ls=14
0nm程度となる。
L s = √ (Dτ s ) ... (Equation 2) Now, the mobility of 2DEG μ = 8,000 cm 2 / V ·
s, kT = 24.8 meV (room temperature), D = 19
It becomes 8.4 cm 2 / V · s. 1 psec as τ s (=
10 -12 sec) as a typical value, l s = 14
It becomes about 0 nm.

【0020】GaAsMESFETの場合、この拡散領
域が、三次元的(立体的)であるのに対し、HEMTの
場合には二次元的(平面的)であるために、真性ノイズ
が大幅に小さい。そして、ゲート電極領域の一点61に
到達した電子についても、電子のランダムなパス50や
ドレイン側ゲート電極端での電子の拡がりl及び横方向
の拡散72、73についても数1、数2と同様に評価で
きる。
In the case of GaAs MESFET, the diffusion region is three-dimensional (three-dimensional), whereas in the case of HEMT, it is two-dimensional (planar), so that the intrinsic noise is significantly small. As for the electrons reaching the point 61 of the gate electrode region, the random path 50 of the electrons, the electron spread l at the end of the drain side gate electrode, and the lateral diffusions 72 and 73 are also the same as in the formulas 1 and 2. Can be evaluated.

【0021】本発明者らは、このようなノイズに係る発
見から、一次元電子系をFETに用いれば、さらにノイ
ズを減少させることができるのではないかとの着想を得
た。すなわち前述の検討に従えば、一次元のゆらぎの自
由度は10の1/3乗に比例し、原理的に2DEG(二
次元電子ガス)を用いたHEMT系の1/2の真性ノイ
ズになる。
The inventors of the present invention have come up with the idea that the noise can be further reduced by using the one-dimensional electron system for the FET, based on the discovery of the noise. That is, according to the above-mentioned examination, the degree of freedom of the one-dimensional fluctuation is proportional to the 1/3 power of 10 and, in principle, becomes 1/2 the intrinsic noise of the HEMT system using 2DEG (two-dimensional electron gas). ..

【0022】もし、この電子の横方向の拡散を抑えるこ
とができる構造を工夫できれば、高周波でノイズの発生
を大幅に抑えることが可能になる。
If a structure capable of suppressing the lateral diffusion of the electrons can be devised, it becomes possible to significantly suppress the generation of noise at high frequencies.

【0023】図4(b)は、上記した電子の横方向の拡
散を抑えた平面構造の概念図である。すなわち、幅w0
の一次元的電子の道筋が多重に形成される。ソース上の
ある点62から出発した電子は、ランダムな運動52を
行い、ゲート20の直下まで到達する。この時ランダム
な電子の道筋は、幅w0の一次元的な構造内だけに留め
られ、他の道筋に移ることは非常にまれであるので、ゆ
らぎを大幅に下げることができる。ソース側ゲート端に
達した別の電子63についても同様のことがいえる。こ
の時、幅w0の一次元構造の側壁での散乱は少なくと
も、エネルギを失う非弾性散乱は極力抑える構造としな
ければならない。
FIG. 4B is a conceptual diagram of a plane structure in which the lateral diffusion of electrons is suppressed. That is, the width w 0
Multiple one-dimensional electron paths are formed. Electrons starting from a point 62 on the source make a random motion 52 and reach directly below the gate 20. At this time, the random electron path is confined only within the one-dimensional structure of the width w 0 , and it is extremely rare to move to another path, so that the fluctuation can be greatly reduced. The same applies to the other electrons 63 that have reached the source-side gate end. At this time, at least the scattering at the side wall of the one-dimensional structure with the width w 0 must be such that the inelastic scattering that loses energy is suppressed as much as possible.

【0024】次に従来の1DEG−FET(例えば図3
の(a)及び(b))の場合に何故高周波でLow Noise
効果が観測出来なかったか、その原因として次の事が挙
げられる。
Next, the conventional 1DEG-FET (see, for example, FIG.
In the cases of (a) and (b)), why high frequency low noise
The effects could not be observed, and the causes are as follows.

【0025】(1)フェルミ波数の減少に伴う散乱度合
いの増加 このような手法を用いた1DEG構造の場合には、1D
EG電子密度が減ってしまう。これは、2DEG構造と
比べて、フェルミ波数が小さくなり一次元細線中で電子
が散乱されやすくなり高周波でのノイズが低下しないと
いう問題と、電流量が下がってしまうという根本的な欠
点を抱えている。従って、このように作製された1DE
G系をFETに応用した場合には、HEMTと比べてそ
の性能が落ちてしまうという事態に陥るのである。それ
に加えて図3の構造の場合には、一次元領域はショット
キーゲート電極20により、メサ段面両側から空乏層を
伸ばしているので、実効的な一次元領域幅がさらに細く
なり電流量もさらに落ちるという問題も発生し、FET
の性能を落している。
(1) Increasing degree of scattering with decreasing Fermi wave number In the case of the 1DEG structure using such a method, 1D
The EG electron density decreases. Compared with the 2DEG structure, this has a problem that the Fermi wave number is smaller, electrons are more likely to be scattered in the one-dimensional thin line, noise at high frequencies does not decrease, and the fundamental amount of current decreases. There is. Therefore, the 1DE produced in this way
When the G-system is applied to the FET, the performance of the G-system is lower than that of the HEMT. In addition, in the case of the structure of FIG. 3, since the depletion layer is extended from both sides of the mesa step surface by the Schottky gate electrode 20 in the one-dimensional region, the effective one-dimensional region width is further reduced and the current amount is also increased. The problem of falling further occurs, and FET
Performance has been reduced.

【0026】(2)1DEGチャンネル側面での非弾性
散乱の増加 さらに、この従来例の場合には1DEGラインの作製手
段としてリソグラフィー技術を用いて、単純なメサエッ
チングを行い1DEGチャンネルの側面をゲート電極で
くるむという構成をしているため、1DEGチャンネル
側面でのポテンシャルバリアの不均一さや細線形成時に
混入する不純物や欠陥による非弾性散乱が多くなって高
周波でのノイズ特性を悪くしている。
(2) Increasing inelastic scattering on the side surface of the 1DEG channel Further, in the case of this conventional example, a simple mesa etching is performed by using a lithography technique as a manufacturing means of the 1DEG line to make the side surface of the 1DEG channel the gate electrode. Since the structure is such that it is wrapped, the non-uniformity of the potential barrier on the side surface of the 1DEG channel and the inelastic scattering due to impurities and defects mixed during the formation of the thin line are increased to deteriorate the noise characteristic at high frequencies.

【0027】(3)寄生抵抗Rsgの増加 寄生抵抗を抑えるために通常用いる手段としては、シー
ト抵抗にして10〜50Ωcm-2の低抵抗n+GaAs
層を例えばソースドレイン間に挾むという方法がある。
しかし、この図2のFET試作においてはそのような寄
生抵抗削減のための手段がなんら用いられておらず、そ
のためにノイズ特性における優位性が現われなかったの
ではないかと考えられる。
(3) Increasing the parasitic resistance Rsg As a means usually used for suppressing the parasitic resistance, a low resistance n + GaAs having a sheet resistance of 10 to 50 Ωcm -2 is used.
There is a method of sandwiching the layer between the source and the drain, for example.
However, in the prototype FET of FIG. 2, no means for reducing such parasitic resistance is used, and it is considered that the superiority in noise characteristics was not exhibited.

【0028】以上述べた課題を解決することによって、
一次元性に由来する高周波 Low No-ise特性が見出され
るのである。
By solving the above-mentioned problems,
The high-frequency low noise characteristic derived from one-dimensionality is found.

【0029】[0029]

【課題を解決するための手段】上記技術的課題を解決す
るために、本発明は以下の特徴を有する。すなわち:本
発明の1局面によれば、内部に電荷担体の流れを形成す
るための半導体領域と、上記電荷担体の流れを制御する
ための制御手段と、上記電荷担体を供給するための1対
の電極とを有し、上記半導体領域が上記電荷担体に対し
実質的に1次元のエネルギーポテンシャルを提供し、か
つ上記1次元の方向と交叉する方向に上記電荷担体を閉
じ込めるための実質的にカギ型のエネルギーポテンシャ
ルを提供する1次元チャネルキャリアトランジスタが提
供される。ここでカギ型のエネルギーポテンシャルと
は、エネルギーポテンシャルの形状がなだらかに変化す
る場合を排除する意味である。電荷担体は半導体の伝導
帯に存在する電子若しくは価電子帯に存在する正孔等を
いう。これらの電荷担体の流れはチャネルを形成し、こ
のチャネルは上記1対の電極とオーミック接続をとる。
制御手段は、例えばよく知られたチャネルに電界を印加
することにより電荷担体の流れを制御するタイプのもの
でよい。
In order to solve the above technical problems, the present invention has the following features. That is, according to one aspect of the present invention, a semiconductor region for forming a flow of charge carriers therein, a control means for controlling the flow of the charge carriers, and a pair for supplying the charge carriers. Electrodes for providing a substantially one-dimensional energy potential to the charge carriers and confining the charge carriers in a direction intersecting the one-dimensional direction. A one-dimensional channel carrier transistor is provided that provides a type energy potential. Here, the key-shaped energy potential is meant to exclude the case where the shape of the energy potential changes gently. The charge carrier refers to an electron existing in the conduction band of the semiconductor or a hole existing in the valence band. The flow of these charge carriers forms a channel, which is in ohmic contact with the pair of electrodes.
The control means may be of the type that controls the flow of charge carriers, for example by applying an electric field to a well known channel.

【0030】本発明の限定された1局面によれば、この
半導体領域は第1及び第2の半導体領域を有し、これら
の半導体領域のエネルギーバンド端のエネルギー差に基
づき上記電荷担体を誘起するようにした1次元チャネル
キャリアトランジスタが提供される。このタイプのトラ
ンジスタは通常HEMTとよばれる。通常のHEMTが
2次元状のキャリアガスを利用するのに対し、本発明に
係るデバイスでは1次元状のキャリアガスを用いてい
る。第2の半導体領域には導電型不純物(ドナもしくは
アクセプタ)がドープされた不純物領域が存在し、これ
により生じる電荷担体が第1の半導体内に存在する。こ
れは第1の半導体領域と第2の半導体領域とのバンド端
エネルギーの差に基づく。第1の半導体/第2の半導体
領域の具体的材料の組合せ例としてはGaAs/AlG
aAs、InGaAs/AlGaAs、InGaAs/
GaAs、InGaAs/InAlAs等が挙げられ
る。
According to a limited aspect of the invention, the semiconductor region comprises first and second semiconductor regions, which induce the charge carriers on the basis of the energy difference at the energy band edges of these semiconductor regions. Thus provided is a one-dimensional channel carrier transistor. This type of transistor is commonly referred to as a HEMT. While the conventional HEMT uses a two-dimensional carrier gas, the device according to the present invention uses a one-dimensional carrier gas. The second semiconductor region has an impurity region doped with a conductivity type impurity (donor or acceptor), and charge carriers generated by the impurity region exist in the first semiconductor. This is based on the difference in band edge energy between the first semiconductor region and the second semiconductor region. As an example of a specific material combination of the first semiconductor / second semiconductor region, GaAs / AlG is used.
aAs, InGaAs / AlGaAs, InGaAs /
Examples include GaAs and InGaAs / InAlAs.

【0031】本発明の他の限定された1局面によれば、
上記半導体領域は上記1次元のポテンシャルを複数有す
る1次元チャネルキャリアトランジスタが提供される。
複数の1次元ポテンシャルは相互に沿って形成され、上
記1対の電極と電気的結合を取る。
According to another limited aspect of the invention,
A one-dimensional channel carrier transistor having a plurality of the one-dimensional potentials is provided in the semiconductor region.
A plurality of one-dimensional potentials are formed along each other and electrically coupled with the pair of electrodes.

【0032】本発明のさらに限定された1局面によれ
ば、これらの1次元ポテンシャルがこの1次元の方向と
交叉する方向に周期的に配設された1次元チャネルキャ
リアトランジスタが提供される。
According to a further limited aspect of the present invention, there is provided a one-dimensional channel carrier transistor in which these one-dimensional potentials are periodically arranged in a direction intersecting with the one-dimensional direction.

【0033】本発明の他の1局面によれば、チャネルを
流れる電荷担体の拡散(ゆらぎ)の自由度を実質的に1
次元に制限するポテンシャルバリアを有する能動領域
と、上記電荷担体の流れを制御するための制御手段と、
上記電荷担体を上記能動領域に供給するための1対の電
極とを有し、上記ポテンシャルバリアには電荷担体を閉
じ込めるための屈曲が存在する1次元チャネルキャリア
トランジスタが提供される。ここで「屈曲」とはポテン
シャルバリアが提供する2つの障壁面(平面)が交叉し
て形成される構造をいい、電荷担体はこれらの障壁面が
形成する実質的に三角形状の領域近傍(ポテンシャルバ
リアの外側)に閉じ込められる。このような屈曲が形成
される例として、ポテンシャルバリアの断面形状が三角
波状のもの、台形波状のもの及び矩形波状のもの等が挙
げられる。逆に屈曲が形成されない例として、ポテンシ
ャルバリアの断面形状がなだらかなsinカーブ状であ
る場合が挙げられる。要は、模式的にポテンシャルバリ
アの断面形状をX−Y座標系に表した場合、その傾きを
表す微分係数dY/dXが実質的に不連続となるような
座標が屈曲の位置である。
According to another aspect of the present invention, the degree of freedom of diffusion (fluctuation) of charge carriers flowing in the channel is substantially 1.
An active region having a dimensionally limited potential barrier; control means for controlling the flow of the charge carriers;
A one-dimensional channel carrier transistor is provided having a pair of electrodes for supplying the charge carriers to the active region, the potential barrier having a bend for confining the charge carriers. Here, the “bend” refers to a structure in which two barrier surfaces (planes) provided by the potential barrier intersect each other, and the charge carriers are in the vicinity of a substantially triangular region (potential) formed by these barrier surfaces. Trapped outside the barrier). Examples of the formation of such a bend include a potential barrier having a triangular wave-shaped cross section, a trapezoidal wave-shaped one, and a rectangular wave-shaped one. On the contrary, as an example in which no bend is formed, there is a case where the cross-sectional shape of the potential barrier is a gentle sin curve. In short, when the cross-sectional shape of the potential barrier is schematically represented in the XY coordinate system, the coordinates at which the differential coefficient dY / dX representing the inclination is substantially discontinuous is the bending position.

【0034】本発明をさらに図面を用いて説明すると、
本発明は1DEG(1-DimensionalElectron Gas、若し
くは1DHG:1-Dimensional Hole Gas)系の特徴を引
き出すことができるFET等のトランジスタ構造とし
て、例えば図1(a)及び(b)に示す構造の1次元チ
ャネルキャリアトランジスタを開示するものである。す
なわち、本発明の1次元チャネルキャリアトランジスタ
は、鋸歯(三角歯)状の断面構造を有する周期的多重ラ
インで形成された第1の半導体領域11と、この第1の
半導体領域より電子親和力が小さい(若しくは電荷担体
が正孔である場合には電子親和力と禁制帯幅の和が大き
い)第2の半導体領域13が第1の半導体領域に対して
ヘテロ接合を形成するように設けられ、この第2の半導
体領域13は導電型不純物をドープされた不純物領域を
有し、上記鋸歯(三角歯)状の断面を有するヘテロ接合
界面のラインに沿って一次元担体領域が形成されている
ことを特徴とし、この一次元担体を制御する電極と、こ
の一次元担体にオーミック接続する1対の電極が形成さ
れてなる。
The present invention will be further described with reference to the drawings.
The present invention provides a transistor structure such as an FET, which can take advantage of the characteristics of 1DEG (1-Dimensional Electron Gas, or 1DHG: 1-Dimensional Hole Gas) system, for example, the one-dimensional structure of the structure shown in FIGS. A channel carrier transistor is disclosed. That is, the one-dimensional channel carrier transistor of the present invention has a first semiconductor region 11 formed by periodic multiple lines having a saw-tooth (triangular tooth) cross-sectional structure and an electron affinity smaller than that of the first semiconductor region. (Or, if the charge carrier is a hole, the sum of the electron affinity and the forbidden band width is large.) The second semiconductor region 13 is provided so as to form a heterojunction with the first semiconductor region. The second semiconductor region 13 has an impurity region doped with a conductive impurity, and a one-dimensional carrier region is formed along the line of the heterojunction interface having the sawtooth (triangular) cross section. In addition, an electrode controlling the one-dimensional carrier and a pair of electrodes ohmic-connected to the one-dimensional carrier are formed.

【0035】発明者らは図1に示すように、鋸歯状の断
面を有するヘテロ接合界面の効果について解析を行っ
た。このようなヘテロ接合界面の鋸歯の形状は、ヘテロ
接合界面を周期的に曲率を変調する構造をもたらし、従
来の1DEG構造の欠点であった電流量の減少という問
題を解決する優れた構造であることを発見した。この効
果については作用で説明する。図1(b)に示すような
1個の鋸歯に沿った長さをλとし底辺に対する鋸歯の傾
斜角度をθとすると、1個の鋸歯の実効的な幅はλco
sθとなる。断面が鋸歯構造を有するように、上記の幅
でグレーティングラインを施したGaAs基板10上
に、アンドープGaAs11/n−AlGaAs13か
らなる鋸歯構造を形成すると、アンドープGaAs層1
1とn−AlGaAs層13のヘテロ接合界面近傍に二
次元状電子ガスが鋸歯の側面(GaAs側)に形成され
る。この鋸歯構造にゲート電極20を上側から形成して
1次元チャネルキャリアトランジスタを構成するもので
ある。
The inventors analyzed the effect of a heterojunction interface having a sawtooth cross section as shown in FIG. Such a serrated shape of the heterojunction interface provides a structure in which the curvature of the heterojunction interface is periodically modulated, and is an excellent structure that solves the problem of reduction in the amount of current, which is a drawback of the conventional 1DEG structure. I found that. This effect will be described in action. If the length along one saw tooth as shown in FIG. 1B is λ and the inclination angle of the saw tooth with respect to the base is θ, the effective width of one saw tooth is λco
It becomes sθ. When a sawtooth structure made of undoped GaAs11 / n-AlGaAs13 is formed on the GaAs substrate 10 having a grating line of the above width so that the cross section has a sawtooth structure, the undoped GaAs layer 1
Two-dimensional electron gas is formed on the sawtooth side surface (GaAs side) in the vicinity of the heterojunction interface between the 1 and n-AlGaAs layers 13. The gate electrode 20 is formed on the sawtooth structure from above to form a one-dimensional channel carrier transistor.

【0036】[0036]

【作用】まず最初に、鋸歯状にヘテロ接合界面の曲率を
変調した例をとって、従来のヘテロ接合界面の曲率を一
定にした(2DEG)構造の場合と比べてn−AlGa
As層内に伸びる空乏層にどのような変化が生じるかに
ついて説明する。
First, taking an example in which the curvature of the heterojunction interface is modulated in a sawtooth shape, n-AlGa is compared with the case of the conventional (2DEG) structure in which the curvature of the heterojunction interface is constant.
How the depletion layer extending in the As layer changes will be described.

【0037】図2(a)及び(b)は、それぞれ図1
(b)の線分A’A、線分B’Bに沿ったエネルギダイ
アグラムである。図中n−AlGaAs層13及びゲー
ト電極20間のショットキバリアの高さを、それぞれV
A'0、VB'0、このバリアによって発生する空乏層15の
厚みをdA'0、dB'0と表す。また、n型AlGaAs層
13とアンドープGaAs層11間のバンドギャップを
A0、VB0として、このバンドギャップによって発生す
る空乏層の厚みをdA0、dB0と表す。バリアの高さは解
析の結果、 VA'0>V2D'>VB'0>VB0>V2D>VA0 ・・・・(数3) なる条件を満たす。ここで、V2D'及びV2Dはヘテロ接
合界面の曲率が一定の場合、すなわち屈曲が存在しない
2DEG構造の場合のショットキバリア及びバンドギャ
ップを表す。空乏層の厚みdはエネルギバリアVを用い
ると、 d=√(2εsV/qND) ・・・・(数4) と表すことが出来る。ここで、εsはAlGaAsの誘
電率、qは電子の電荷、NDはn−AlGaAs層の不
純物濃度である。数4によって、空乏層の厚みはエネル
ギギャップの大きさで決まるのであるから、数3に対応
した式が成立する。すなわち、 dA'0>d2D'>dB'0>dB0>d2D>dA0 ・・・・(数5) この式中、d2D'及びd2Dはヘテロ接合界面の曲率が一
定の場合、すなわち屈曲が存在しない2DEG構造の場
合のショットキバリア及びバンドギャップにより発生す
る空乏層の厚みをそれぞれ表す。
2 (a) and 2 (b) are respectively shown in FIG.
It is an energy diagram along line segment A'A and line segment B'B of (b). In the figure, the height of the Schottky barrier between the n-AlGaAs layer 13 and the gate electrode 20 is V
A'0 , V B'0 , and the thickness of the depletion layer 15 generated by this barrier are represented by d A'0 , d B'0 . Further, the band gaps between the n-type AlGaAs layer 13 and the undoped GaAs layer 11 are V A0 and V B0 , and the thickness of the depletion layer generated by this band gap is represented by d A0 and d B0 . As a result of the analysis, the height of the barrier satisfies the following condition: V A'0 > V 2D ' > V B'0 > V B0 > V 2D > V A0 ( Equation 3). Here, V 2D ' and V 2D represent the Schottky barrier and the band gap in the case where the curvature of the heterojunction interface is constant, that is, in the case of the 2DEG structure in which no bending exists. When the energy barrier V is used, the thickness d of the depletion layer can be expressed as d = √ (2ε s V / qN D ) ... (Equation 4). Here, ε s is the dielectric constant of AlGaAs, q is the charge of electrons, and N D is the impurity concentration of the n-AlGaAs layer. Since the thickness of the depletion layer is determined by the size of the energy gap according to Formula 4, the formula corresponding to Formula 3 is established. That is, d A'0 > d 2D ' > d B'0 > d B0 > d 2D > d A0 (Equation 5) In this equation, d 2D' and d 2D have a constant curvature at the heterojunction interface. In the case of, that is, in the case of the 2DEG structure in which no bending exists, the thickness of the depletion layer generated by the Schottky barrier and the band gap is shown.

【0038】FETに応用した場合を考慮すると、負の
ゲートバイアスによって、GaAs層11に蓄積される
電子を最も効率良く制御できるようにn−AlGaAs
層の厚みを決定することが必要であり、それは、n−A
lGaAs層中に電荷中性領域が現われない最大膜厚d
A'A、dB'Bで実現出来る。これらの膜厚は前述の空乏層
の和でそれぞれ表すことが出来る。すなわち、 dA'A=dA'0+dA0 ・・・・(数6) dB'B=dB'0+dB0 ・・・・(数7) である。数3の条件により、空乏層の厚みには以下の条
件が成り立つ。
Considering the case of application to the FET, n-AlGaAs is controlled so that the electrons accumulated in the GaAs layer 11 can be controlled most efficiently by the negative gate bias.
It is necessary to determine the layer thickness, which is n−A
Maximum film thickness d where no charge neutral region appears in the 1GaAs layer
It can be realized by A'A and dB'B . These film thicknesses can be represented by the sum of the above-mentioned depletion layers. That is, d A'A = d A'0 + d A0 ... ( Equation 6) d B'B = d B'0 + d B0 ... ( Equation 7) According to the condition of Expression 3, the following conditions are satisfied for the thickness of the depletion layer.

【0039】 dA'0−dB'0>dB0−dA0 ・・・・(数8) 数8より数6と数7の間には次式が成り立つ。D A′0 −d B′0 > d B0 −d A0 ... ( Equation 8) From Equation 8, the following equation holds between Equation 6 and Equation 7.

【0040】 dA'A>dB'B ・・・・(数9) したがって、FETを効率良くゲート電圧によって制御
可能ならしめるためには、n−AlGaAs層の膜厚を
B'Bの厚み以下で形成する必要がある。
D A'A > d B'B ( Equation 9) Therefore, in order to control the FET efficiently by the gate voltage, the film thickness of the n-AlGaAs layer should be d B'B . It must be formed with a thickness or less.

【0041】次に本発明をHEMTに応用した場合の、
GaAs層11側に蓄積する電子にもたらす効果につい
て説明する。前述のとおり、このヘテロ接合界面の周期
的な曲率変調(屈曲)は、n−AlGaAs層内に伸び
る空乏層15の深さを図1(b)中A点付近では浅く、
B点(或いはC点)付近では深くする効果をもたらした
(数3)。この曲率変調の効果によって、空乏層の深い
領域に蓄積するはずだった電子は空乏層の浅い領域へ移
動する。したがって、二次元電子ガスは鋸歯の側面に沿
って形成されるのではなく、A点付近には多くB点付近
には少なく蓄積するという非一様的な分布となる。一方
本発明を例えばMESFETに応用した場合には、同様
に屈曲による電荷担体の1次元閉じ込めが期待できる
が、その位置は図1(b)におけるB点若しくはC点付
近に多く蓄積する非一様分布になると予測される。
Next, when the present invention is applied to HEMT,
The effect exerted on the electrons accumulated on the GaAs layer 11 side will be described. As described above, the periodic curvature modulation (bending) of the heterojunction interface causes the depth of the depletion layer 15 extending in the n-AlGaAs layer to be shallow near the point A in FIG.
A deepening effect was obtained near point B (or point C) (Equation 3). Due to the effect of this curvature modulation, the electrons that should have accumulated in the deep region of the depletion layer move to the shallow region of the depletion layer. Therefore, the two-dimensional electron gas is not formed along the side surface of the sawteeth, but has a non-uniform distribution in which a large amount is accumulated near the point A and a small amount is accumulated near the point B. On the other hand, when the present invention is applied to, for example, a MESFET, one-dimensional confinement of charge carriers due to bending can be expected, but the position is often non-uniform accumulating near points B or C in FIG. 1B. It is expected to be distributed.

【0042】さてHEMTに戻り、n−AlGaAs層
のドーピング濃度NDを1.0×1018cm-3、λ=1
200Åと設定した場合には、1個の鋸歯の電子密度分
布は図5のようになる。すなわち、高密度な電子分布が
GaAs側から見た上に凸の部分(A点付近)に、低密
度な電子分布が下に凸の部分(B点付近)に広がる。そ
の差は、およそ1桁にまで達し、さらに上に凸の部分に
発生した高密度な電子分布は2DEGのピーク密度に比
べると約2.5倍高くなる。このような電子密度が高く
なる効果は、図2のような2DEGを狭い領域に閉じ込
める従来の1DEG形成方法では決して起こらない、屈
曲による新しい効果である。
Now, returning to HEMT, the doping concentration ND of the n-AlGaAs layer is 1.0 × 10 18 cm -3 and λ = 1.
When set to 200Å, the electron density distribution of one saw tooth is as shown in FIG. That is, the high-density electron distribution spreads in the upward convex portion (near point A) as viewed from the GaAs side, and the low-density electron distribution spreads in the downward convex portion (near point B). The difference reaches about one digit, and the high-density electron distribution generated in the convex portion is 2.5 times higher than the peak density of 2DEG. Such an effect of increasing the electron density is a new effect due to bending, which never occurs in the conventional 1DEG forming method of confining 2DEG in a narrow region as shown in FIG.

【0043】さらに発明者らは電子密度の濃淡の効果を
生かし、1DEGの形成及びそれのFETへの応用に最
適な長さとなるλの評価を行なった。その説明のため
に、以下に示す局所的なシート密度nlocal(x)とそ
れを平均したシート密度navを導入する。
Further, the inventors have evaluated λ, which is the optimum length for the formation of 1DEG and its application to FET, making the most of the effect of the density of electron density. For the explanation, a local sheet density n local (x) and an averaged sheet density n av thereof are introduced below.

【0044】 nlocal(x)=∫n(x,y)dy ・・・・(数10) nav=∫nlocal(x)dx ・・・・(数11) ここで、y軸、x軸は共に点Aを始点とし、y軸は線分
BCに対して垂直方向に、x軸は線分ACの方向に取っ
ている(図1(b)参照)。図6には、θ=45°に固
定した条件のもとでのnlonal(x)のx依存性を、λ
=1200、2000、4000[Å]について調べた
結果を示す。また、図7にはnavのλ依存性をθ=3
0、45、60[°]について調べた結果を示す。図6
及び図7共に2DEGのシート密度n2Dを単位として示
している。nlocal(x)のピーク時(x=0)の値は
λを変えても殆ど変わらず、重要なことは、n2Dに比べ
て約2.5倍高密度な分布を実現するということであ
る。λが大きくなるにつれて、nlocal(x)/nav
平らな領域が拡がる、すなわち、2DEG的振舞をする
領域が長くなることを示しており、そのためnav/n2D
は界面の曲率変調の幾何学的効果である1/cosθ
(=√2)に近づく。それとは逆に、λが小さくなった
場合には2DEG的な効果が現れる領域は排除されて、
図5(a)λ=1200Åの場合のように非常に急峻に
なり、一次元性が顕著になる。
N local (x) = ∫n (x, y) dy (Equation 10) n av = ∫n local (x) dx (Equation 11) where y-axis, x The axes are both starting from point A, the y-axis is perpendicular to the line segment BC, and the x-axis is in the direction of the line segment AC (see FIG. 1 (b)). FIG. 6 shows the x dependence of n lonal (x) under the condition that θ = 45 ° is fixed.
= 1200, 2000, 4000 [Å] are shown. Further, in FIG. 7, the λ dependence of n av is θ = 3.
The result of having investigated about 0, 45, 60 [degree] is shown. Figure 6
7 and FIG. 7 show the sheet density n 2D of 2DEG as a unit. The peak value (x = 0) of n local (x) hardly changes even if λ is changed, and what is important is to realize a distribution that is about 2.5 times as dense as n 2D. is there. As λ increases, n local (x) / n av shows that the flat region expands, that is, the region having 2DEG-like behavior becomes longer, and therefore n av / n 2D
Is the geometric effect of the curvature modulation of the interface, 1 / cos θ
It approaches (= √2). On the contrary, when λ becomes small, the region where the 2DEG-like effect appears is excluded,
As in the case of λ = 1200 Å in FIG. 5A, it becomes extremely steep and the one-dimensionality becomes remarkable.

【0045】さらにこの構造を1DEG−FETのチャ
ネルとして扱い、かつ2DEG−FET以上の性能を上
げるためには、navはn2D以上の値を持つ必要がある、
すなわち、 nav≧n2D ・・・・(数12) したがって、以上の解析結果から例えばθ=45°の場
合に1DEGを形成し、従来の2DEG−FETと同程
度の電流値がとれる条件は約850Åと結論づけること
が出来る。
Further, in order to treat this structure as a channel of 1DEG-FET and improve the performance of 2DEG-FET or higher, n av must have a value of n 2D or higher.
That is, n av ≧ n 2D ··· (Equation 12) Therefore, from the above analysis results, for example, when θ = 45 °, 1DEG is formed, and the condition for obtaining a current value similar to that of the conventional 2DEG-FET is We can conclude that it is about 850Å.

【0046】こうして上記ヘテロ接合界面の周期的曲率
変調の効果による1DEG構造を用いると、課題で述べ
た(1)フェルミ波数の減少に伴う電子散乱度合いの増
加という問題を解決することが出来る。さらにこの構造
はn−AlGaAs層で囲まれているために側壁面での
非弾性散乱が抑えられ(2)の問題も解決出来る。さら
に高密度効果を生かして、1DEGであるにもかかわら
ずHEMTと同トランジスタ幅で大電流が取れるという
生産上の問題も解決することが出来る。この1DEG構
造を用いることによって初めて高周波でのノイズ特性で
優るトランジスタを作製出来る。
Thus, by using the 1DEG structure by the effect of periodic curvature modulation of the heterojunction interface, it is possible to solve the problem (1) that the degree of electron scattering increases with the decrease in Fermi wave number described in the problem. Furthermore, since this structure is surrounded by the n-AlGaAs layer, inelastic scattering on the side wall surface is suppressed, and the problem (2) can be solved. Further, by utilizing the high-density effect, it is possible to solve a production problem that a large current can be taken with the same transistor width as that of the HEMT even though it is 1DEG. Only by using this 1DEG structure, a transistor having excellent noise characteristics at high frequencies can be manufactured.

【0047】[0047]

【実施例】〔実施例1〕以下本発明を実施例を通して更
に詳しく説明する。図22は本発明にかかる1次元チャ
ネルキャリアトランジスタを1DEG−FETに適用し
た場合の基本的構成を示す斜視図、図1(a)はその平
面図、図1(b)は図22におけるO−O’断面図であ
る。図1(a)においてソース電極およびドレイン電極
は紙面の表部と裏部に位置するが図では省略し、ゲート
電極20に対応する部分のみ記載している。図22にお
いて基板10上に形成された能動領域には第1の半導体
領域11と第2の半導体領域13が配設され、電荷担体
の流れ(チャネル)はこの第1の半導体領域11に形成
される。チャネルに電荷担体を供給するための1対の電
極(ソース21、ドレイン22)と、電荷担体の流れを
制御するための手段、例えば電界を印加するための電極
(ゲート20)は、周知の方法により配設される。図で
はソース21、ドレイン22の各電極下にチャネルと各
電極との電気的接続をよく取るためのn+層19(Ga
As等)を設けている。また、不純物拡散領域12を設
け、オーミックコンタクトをとっている。
EXAMPLES Example 1 The present invention will be described in more detail by way of examples. 22 is a perspective view showing a basic configuration when the one-dimensional channel carrier transistor according to the present invention is applied to a 1DEG-FET, FIG. 1 (a) is its plan view, and FIG. 1 (b) is O- in FIG. It is a O'sectional view. In FIG. 1A, the source electrode and the drain electrode are located on the front and back of the paper, but they are omitted in the figure and only the portion corresponding to the gate electrode 20 is shown. In FIG. 22, a first semiconductor region 11 and a second semiconductor region 13 are arranged in an active region formed on a substrate 10, and a flow (channel) of charge carriers is formed in this first semiconductor region 11. It A pair of electrodes (source 21, drain 22) for supplying charge carriers to the channel and a means for controlling the flow of charge carriers, for example an electrode for applying an electric field (gate 20) are well known methods. It is arranged by. In the figure, an n + layer 19 (Ga) is formed under each electrode of the source 21 and the drain 22 to ensure good electrical connection between the channel and each electrode.
As, etc.) are provided. Further, the impurity diffusion region 12 is provided to make ohmic contact.

【0048】半絶縁性GaAs(100面)基板10上
にCVDで厚さ10nmのSiO2膜を形成する。つい
で、位相シフトリソグラフィーを用いてSiO2膜を、
60nmの間隔で縞状に残す。さらに、硫酸系(H2
4:H22:H2O=1:8:40)のウェットエッチ
ングを15秒間行なう。これによって(11 ̄1 ̄)
(ここで、1 ̄は、1のインヴァースを表す。)、(1
11)面が現れて形状の一直線に揃ったθ=55°の鋸
歯状基板が出来上がる。この2面の交叉部分が本発明で
いう屈曲、若しくはカギ型を構成する。
A 10 nm thick SiO 2 film is formed on the semi-insulating GaAs (100 plane) substrate 10 by CVD. Then, the SiO 2 film is formed by using phase shift lithography.
Stripes are left at intervals of 60 nm. In addition, sulfuric acid (H 2 S
Wet etching of O 4 : H 2 O 2 : H 2 O = 1: 8: 40) is performed for 15 seconds. With this (11-1)
(Here, 1  ̄ represents the inverse of 1.), (1
11) A saw-tooth substrate having θ = 55 ° in which the surfaces appear and are aligned in a straight line is completed. The intersecting portion of these two surfaces constitutes the bending or key shape referred to in the present invention.

【0049】従来例で述べたリソグラフィー技術を用い
て形成されたラインの揺らぎの幅は、リソグラフィーの
実質的揺らぎによって決まる。しかし、実施例1のよう
に面方位を利用した選択エッチングによる方法は、オー
バーエッチングすることによって結晶面が出るので、リ
ソグラフィによる一次元ラインのばらつきが生じるとい
う問題はなくなる。従って先に述べた課題の(2)を解
決することが出来る。また、この角度は前述の作用で述
べたθ=45°の場合よりも鋸歯の形状が鋭い構造を形
成しており、図7に示した様に電子は濃く蓄積する傾向
にある。一般にθは20°から80°の間で設定するこ
とが出来る。
The fluctuation width of the line formed by using the lithography technique described in the conventional example is determined by the substantial fluctuation of the lithography. However, in the method of selective etching using the plane orientation as in Example 1, a crystal plane is exposed by overetching, so there is no problem of variation in one-dimensional lines due to lithography. Therefore, the above-mentioned problem (2) can be solved. Further, this angle forms a structure in which the sawtooth shape is sharper than in the case of θ = 45 ° described in the above operation, and electrons tend to be densely accumulated as shown in FIG. 7. Generally, θ can be set between 20 ° and 80 °.

【0050】次に基板10を洗浄後、MOCVD(有機
金属熱分解)法によりアンドープのGaAs層11を5
0nm成長させた。この時の成長温度は650℃の低温
で、AsH3の分圧を高くしている。次に結晶成長温度
を800℃に上げてSiを1×1018cm-3含有するn
−AlXGa1-XAs層(x=0.3)13を40nm成
長させた。この時n−AlXGa1-XAs層13とGaA
s層11とのヘテロ界面に電子蓄積層が形成される。さ
らにSiを2×1018cm-3含有するn+GaAs層を
160nm形成し(これによって課題の(3)を解決す
ることが出来る。)、以降、ゲート電極、ソースドレイ
ン電極は、通常のHEMTを形成する時と同様に作製す
る。又、n−AlGaAs層13の上にアンドープAl
GaAs層を10〜15nm形成して、ゲート耐圧を向
上させるための構造も通常の2DET−FET構造同様
有効である。周知の方法によりソース、ドレイン電極を
形成し、ゲート電極20を設けて素子を完成する。
Next, after cleaning the substrate 10, the undoped GaAs layer 11 is formed to a thickness of 5 by MOCVD (metal organic thermal decomposition).
It was grown to 0 nm. The growth temperature at this time is a low temperature of 650 ° C., and the partial pressure of AsH 3 is high. Next, the crystal growth temperature was raised to 800 ° C. and n containing 1 × 10 18 cm −3 of Si was added.
-Al X Ga 1-X As layer (x = 0.3) 13 was 40nm growth. At this time, the n-Al x Ga 1 -x As layer 13 and the GaA
An electron storage layer is formed at the hetero interface with the s layer 11. Further, an n + GaAs layer containing Si at 2 × 10 18 cm −3 is formed to a thickness of 160 nm (this can solve the problem (3)), and thereafter, the gate electrode and the source / drain electrode form a normal HEMT. It is made in the same manner as when performing. In addition, undoped Al is formed on the n-AlGaAs layer 13.
The structure for forming a GaAs layer with a thickness of 10 to 15 nm to improve the gate breakdown voltage is also effective as in the normal 2DET-FET structure. Source and drain electrodes are formed by a known method, and a gate electrode 20 is provided to complete the device.

【0051】以上の工程によって構成された本発明の素
子の平面上のトランジスタ幅wは200μm、ゲート長
gは0.25μm、ソース電極とゲート電極間の距離
sgは1.5μmである。
The transistor width w on the plane of the device of the present invention constituted by the above steps is 200 μm, the gate length L g is 0.25 μm, and the distance L sg between the source electrode and the gate electrode is 1.5 μm.

【0052】この時のドレイン電流IDSに対する雑音
指数NFと利得Gaの測定結果を従来のFETと比較し
て図8に示す。チャネルが多重(1666本)一次元化
された効果として、著しい特性の向上がなされる。
FIG. 8 shows the measurement results of the noise figure NF and the gain G a with respect to the drain current I DS at this time in comparison with the conventional FET. As a result of the multidimensional (1666) channels one-dimensionalized, a remarkable improvement in characteristics is achieved.

【0053】図9はソースドレイン電圧VSD=2.0V
の時の飽和領域でのソースドレイン電流IDSのゲート電
圧Vg依存性を示す図で、1DEG構造は2DEG構造
に比べて図のような鋭いカーブを描くという利点が生じ
る。なぜなら、GaAs層の下に凸の部分は電子密度が
その他の部分に比べて薄い為に電子が排斥されやすい。
したがって、ゲート電圧を負に印加して電子密度を下げ
ていくと、先にこの下に凸の部分からピンチオフが生
じ、次いで上に凸の部分に向かってピンチオフが広が
り、最後に電子密度の一番高い部分に到達するという状
況を生じる。これは、電子密度の一様性が保たれている
従来の2DEG構造では実現出来ず、非一様な電子密度
分布を実現した折れ曲がったヘテロ接合界面構造特有の
効果である。このため、相互コンダクタンスgmは、広
いゲート電圧Vgの範囲で通常の2DEG−FETに比
べ2倍程度大きく出来る。
FIG. 9 shows the source / drain voltage V SD = 2.0V
In the graph showing the dependency of the source / drain current I DS on the gate voltage Vg in the saturation region at the time of, the 1DEG structure has an advantage that a sharp curve as shown in the drawing is drawn as compared with the 2DEG structure. This is because the convex portion below the GaAs layer has a lower electron density than the other portions, and thus electrons are easily rejected.
Therefore, when the gate voltage is negatively applied to reduce the electron density, pinch-off occurs first from the downward convex portion, then the pinch-off spreads toward the upward convex portion, and finally the electron density The situation arises of reaching the highest part. This is an effect peculiar to the bent heterojunction interface structure that cannot realize the conventional 2DEG structure in which the uniformity of the electron density is maintained, but realizes the non-uniform electron density distribution. For this reason, the transconductance gm can be made about twice as large as that of a normal 2DEG-FET in a wide gate voltage Vg range.

【0054】また、上記実施例のチャンネル層11とキ
ャリア供給層13とを逆にした構造も可能である(図1
0)。
Further, a structure in which the channel layer 11 and the carrier supply layer 13 of the above embodiment are reversed is also possible (FIG. 1).
0).

【0055】〔実施例2〕図11は、本発明の実施例2
による1DEG−FETの断面図を示す。この実施例に
よる1DEG−FETは鋸歯上に形成されたGaAs基
板10上にアンドープのAlZGa1-ZAs層16(z=
0.3)をMOCVD法によって30nm成長させた事
を除いて、実施例1による1DEG−FETと同様な構
成を有する。この実施例2によれば、アンドープのAl
ZGa1-ZAs層16は1DEGのチャンネル層であるア
ンドープのGaAs層11のバリア層としての役割を担
い、さらに一次元性を顕在化させる。したがって、この
実施例2の構造を用いることによって、図8で示したノ
イズはさらに小さくなる。
[Second Embodiment] FIG. 11 shows a second embodiment of the present invention.
1 shows a sectional view of a 1DEG-FET according to FIG. In the 1DEG-FET according to this embodiment, an undoped Al Z Ga 1-Z As layer 16 (z =) is formed on a GaAs substrate 10 formed on saw teeth.
It has the same structure as the 1DEG-FET according to the example 1 except that 0.3) was grown to a thickness of 30 nm by the MOCVD method. According to this Example 2, undoped Al
The Z Ga 1 -Z As layer 16 plays a role as a barrier layer of the undoped GaAs layer 11 which is a channel layer of 1DEG, and makes the one-dimensional property more apparent. Therefore, the noise shown in FIG. 8 is further reduced by using the structure of the second embodiment.

【0056】結晶成長技術の点からは鋸歯上GaAs基
板にまずGaに比べ拡散しにくいAlを含むAlGaA
s層16をコンフォーマルに成長させた後、所望の構造
を結晶成長させる方が結晶構造の自由度が増すという長
所も存在する。
In terms of crystal growth technology, AlGaA containing Al, which is more difficult to diffuse than Ga, is first formed on the GaAs substrate on the sawtooth.
There is also an advantage that the degree of freedom of the crystal structure is increased by crystallizing a desired structure after the s-layer 16 is conformally grown.

【0057】〔実施例3〕図12、図13及び図14
は、本発明の実施例3による1DEG−FETの断面図
を示す。この実施例3による1DEG−FET構造は図
1のAlYGa1-YAs層13の成長方法を除いて実施例
1による1DEG−FETと同一の構造を有する。すな
わち図12において、AlZGa1-ZAs層16(z=
0.3)を成長させる際にSiを単原子層程度成長させ
た層18(原子層1層の場合にはδドープ層と呼ばれる
が、1層に限らず単原子層数層の場合でもかまわない)
を形成する。不純物ドープを単原子層程度に薄くするこ
とは、アンドープのGaAs層11に蓄積する電子密度
を高く出来るという利点が有る。従来の2DEG構造に
適用した場合、このドープ密度の場合にはおよそ2倍の
シート密度の増加を引き起こす。
[Embodiment 3] FIGS. 12, 13 and 14
[FIG. 8] A sectional view of a 1DEG-FET according to a third embodiment of the present invention. The 1DEG-FET structure according to the third embodiment has the same structure as the 1DEG-FET according to the first embodiment except for the growth method of the Al Y Ga 1 -Y As layer 13 of FIG. That is, in FIG. 12, the Al Z Ga 1-Z As layer 16 (z =
The layer 18 in which Si is grown to a thickness of about a monoatomic layer when it is grown (0.3) is called a δ-doped layer in the case of one atomic layer, but the number of monolayers is not limited to one and may be several monolayers. Absent)
To form. Making the impurity doping as thin as a monoatomic layer has the advantage that the density of electrons accumulated in the undoped GaAs layer 11 can be increased. When applied to a conventional 2DEG structure, this doping density causes an approximately double increase in sheet density.

【0058】したがって、単原子ドープ層18による効
果を本発明であるヘテロ接合界面の周期的曲率変調構造
に適用した場合には実施例1では2DEGのシート密度
2Dよりも約2.5倍高密度であった電子密度は少なく
ともそのさらに2倍大きくなる。すなわち、上に凸の部
分では5.0×1.012cm-2の高密度電子が得られる
ことになり、高性能な1DEG−FETを作成すること
が出来る。
Therefore, when the effect of the monatomic doped layer 18 is applied to the periodic curvature modulation structure of the heterojunction interface according to the present invention, in Example 1, the sheet density n 2D of 2DEG is about 2.5 times higher. The electron density, which was the density, is at least twice as high. That is, high density electrons of 5.0 × 1.0 12 cm −2 can be obtained in the upward convex portion, and a high-performance 1DEG-FET can be manufactured.

【0059】さらにAlZGa1-ZAs層16の割合をz
=0.5に変えて結晶成長を行うと、AlZGa1-ZAs
層は谷の部分に先に成長を始める。その後、δドープ層
18を成長させることによって、図13のような1DE
G−FET構造に本発明を適用しても良い。
Further, the ratio of the Al Z Ga 1 -Z As layer 16 is z.
= 0.5 and crystal growth is performed, Al Z Ga 1-Z As
The layer begins to grow first in the valley. After that, by growing the δ-doped layer 18, 1DE as shown in FIG.
The present invention may be applied to the G-FET structure.

【0060】また、図14の様な1DEG−FET構造
に本発明を適用しても良い。この構造は下に凸の部分が
薄くなっていることが特徴であるため、空乏層の膜厚設
定を制御しやすいという利点を持っている。
The present invention may be applied to the 1DEG-FET structure as shown in FIG. Since this structure is characterized in that the downward convex portion is thin, it has an advantage that the film thickness setting of the depletion layer can be easily controlled.

【0061】〔実施例4〕図15は、本発明の更に他の
実施例による1DEG−FETの断面図を示す。この実
施例による1DEG−FET構造はGaAs層11の構
造を除いて実施例1による1DEG−FETと同一の構
造を有する。すなわち、GaAs層11を成長させる際
の温度を実施例1の場合よりも高い値800℃に、また
AsH3圧も通常の結晶成長の気圧に設定している。こ
のような条件下では、Ga原子が熱エネルギを与えらる
ことによって拡散しやすくなる。この性質を用いると、
実施例1の条件下においては上に凸の部分に蓄積するは
ずだったGa原子を、本実施例においては下に凸の部分
に移動させることが可能である。したがって、図15の
ようにGaAs層11の厚みが周期的に異なる構造を実
現することが出来る。n−AlGaAs層13の成長
は、重いAl原子がGa原子の拡散を抑えるため再び一
様に結晶成長が行われる。
[Embodiment 4] FIG. 15 is a sectional view of a 1DEG-FET according to still another embodiment of the present invention. The 1DEG-FET structure according to this embodiment has the same structure as the 1DEG-FET according to Embodiment 1 except for the structure of the GaAs layer 11. That is, the temperature for growing the GaAs layer 11 is set to 800 ° C., which is higher than that in the first embodiment, and the AsH 3 pressure is set to the atmospheric pressure for normal crystal growth. Under such a condition, the Ga atoms are easily diffused by applying thermal energy. Using this property,
Ga atoms that were supposed to accumulate in the upward convex portion under the conditions of Example 1 can be moved to the downward convex portion in the present Example. Therefore, as shown in FIG. 15, a structure in which the thickness of the GaAs layer 11 is periodically different can be realized. In the growth of the n-AlGaAs layer 13, since the heavy Al atoms suppress the diffusion of Ga atoms, uniform crystal growth is performed again.

【0062】この実施例によれば、n−AlGaAs層
13の厚みがGaAs層11の上に凸の部分では厚く、
下に凸の部分では薄くなっている。したがって、実施例
1で述べたようなゲート電圧の負の印加によって電子を
排斥する効果は下に凸の電子密度が薄い部分ではより顕
著になる。図9の破線で示した曲線は実施例4の構造を
用いたデータである。
According to this embodiment, the thickness of the n-AlGaAs layer 13 is thick in the convex portion on the GaAs layer 11,
The part that is convex downward is thin. Therefore, the effect of rejecting electrons by the negative application of the gate voltage as described in Example 1 becomes more remarkable in the portion where the electron density of the downward convex is thin. The curve shown by the broken line in FIG. 9 is data using the structure of Example 4.

【0063】また上記実施例のGaAs層11とn−A
lGaAs層13とを逆にした構造も可能である(図1
6)。
In addition, the GaAs layer 11 and n-A of the above embodiment are used.
A structure in which the lGaAs layer 13 is reversed is also possible (FIG. 1).
6).

【0064】〔実施例5〕図17は、本発明の更に他の
実施例による1DEG−FETの断面図を示す。この実
施例による1DEG−FET構造は鋸歯上に形成された
GaAs基板10上にアンドープのAlYGa1-YAs層
16(Y=0.3)をMOCVD法によって30nm成
長させた事を除いて、実施例4による1DEG−FET
と同様な構成を有する。この実施例5によれば、アンド
ープのAlYGa1-YAs層16は1DEGのチャンネル
層であるアンドープのGaAs層11のバリアとしての
役割を担い、さらに一次元性を顕在化させる。したがっ
て、この実施例の構造を用いることによって、図8で示
したノイズはさらに小さくなるという利点がある。
[Embodiment 5] FIG. 17 is a sectional view of a 1DEG-FET according to still another embodiment of the present invention. In the 1DEG-FET structure according to this embodiment, an undoped Al Y Ga 1-Y As layer 16 (Y = 0.3) is grown to a thickness of 30 nm on the GaAs substrate 10 formed on the sawtooth by the MOCVD method. 1DEG-FET according to Example 4
It has the same configuration as. According to the fifth embodiment, the undoped Al Y Ga 1 -Y As layer 16 plays a role as a barrier of the undoped GaAs layer 11 which is the channel layer of 1DEG, and makes the one-dimensional property more apparent. Therefore, by using the structure of this embodiment, there is an advantage that the noise shown in FIG. 8 is further reduced.

【0065】〔実施例6〕図18、図19及び図20
に、本発明の更に他の実施例による1DEG−FETの
断面図を示す。この実施例による1DEG−FET構造
は図15におけるキャリア供給層であるAlYGa1-Y
s層13の成長方法以外は実施例4による1DEG−F
ETと同一の構造である。また、δドープ層に成長させ
る方法は実施例3と同一の方法によって形成する。これ
は、実施例3と同様にアンドープのGaAs層11に蓄
積する電子密度を高く出来るという利点が有る。
[Embodiment 6] FIGS. 18, 19 and 20.
FIG. 11 is a sectional view of a 1DEG-FET according to still another embodiment of the present invention. The 1DEG-FET structure according to this embodiment has the carrier supply layer Al Y Ga 1 -Y A in FIG.
1DEG-F according to Example 4 except for the method of growing the s layer 13
It has the same structure as ET. The method of growing the δ-doped layer is the same as that of the third embodiment. This has an advantage that the electron density accumulated in the undoped GaAs layer 11 can be increased similarly to the third embodiment.

【0066】したがってこの実施例6によれば、実施例
3と同様にノイズを更に小さくできるという利点が得ら
れる。
Therefore, according to the sixth embodiment, the advantage that the noise can be further reduced is obtained as in the third embodiment.

【0067】さらにAlZGa1-ZAs層16の成長にお
いてz=0.5として、図19に示す1DEG−FET
構造に本発明を適用することも可能である。
Furthermore, in the growth of the Al Z Ga 1 -Z As layer 16, z = 0.5 was set and the 1DEG-FET shown in FIG.
It is also possible to apply the present invention to the structure.

【0068】また図20に示す1DEG−FET構造に
本発明を適用しても良い。この構造は、単電子層ドープ
が比較的上に凸の部分にのみ成長させているので、この
上に凸の部分に高密度電子がたまるという本発明の効果
をさらに増加させるという利点がある。
The present invention may be applied to the 1DEG-FET structure shown in FIG. This structure has an advantage of further increasing the effect of the present invention that high-density electrons are accumulated in the convex portion upward because the single-electron layer doping is grown only in the convex portion relatively upward.

【0069】〔実施例7〕本発明を以下に述べる構造に
適用した1DEG−FET構造でもよい。図21は、そ
の1DEG−FET構造の断面図を示す。半絶縁性Ga
As(100面)10を洗浄後、MOCVD法によりア
ンドープのGaAs層14を0.5μm成長させた。次
に、この鋸歯状基板の表面をH2プラズマ、或いはHC
lガスでクリーニングした後、Siを2×1018cm-3
含有するn−AlXGa1-XAs(x=0.3)13を4
0nm形成する。その他は、実施例1と同様の手法を用
いて同一の構造を作製する。
[Embodiment 7] A 1DEG-FET structure in which the present invention is applied to the structure described below may be used. FIG. 21 shows a sectional view of the 1DEG-FET structure. Semi-insulating Ga
After cleaning the As (100 plane) 10, an undoped GaAs layer 14 was grown to 0.5 μm by the MOCVD method. Next, the surface of the sawtooth substrate is treated with H 2 plasma or HC.
2 × 10 18 cm -3 after cleaning with l gas
N-Al X Ga 1-X As (x = 0.3) 13 contained in 4
0 nm is formed. Other than that, the same structure is manufactured by using the same method as that of the first embodiment.

【0070】以上述べてきた実施例1から実施例7にお
いて、半導体材料としては、チャネル層のGaAs11
を、歪層を有するInXGa1-XAsで置き換えることも
可能である。これは従来のPseudomorphic HEMTと代
わらない。ただし、この時にはInの組成xに応じた歪
みに耐えられる最大膜厚が存在することも従来技術と同
様である。
In the first to seventh embodiments described above, the semiconductor material is GaAs11 of the channel layer.
Can also be replaced by In X Ga 1-X As having a strained layer. This does not replace the conventional Pseudomorphic HEMT. However, at this time, the maximum film thickness that can withstand the strain corresponding to the In composition x exists, as in the prior art.

【0071】さらに、GaAs基板ではなく、InP基
板上に格子整合のとれたInGaAs/InAlAsヘ
テロ接合を形成してより高性能なHEMTを形成するこ
ともできる。
Further, it is also possible to form a lattice-matched InGaAs / InAlAs heterojunction on the InP substrate instead of the GaAs substrate to form a higher performance HEMT.

【0072】[0072]

【発明の効果】本発明は、断面が鋸歯状の半導体側面に
形成される一次元電子構造をFETの能動層としている
ため、(1)一次元電子系の特徴を活かした低ノイズ特
性が得られる、(2)鋸歯(三角歯)状に周期的に曲率
を変調したヘテロ接合界面構造が電子密度に濃淡を生じ
せしめ、しかも濃い部分は従来型のデバイスのチャネル
キャリア(例えば2DEG)のピーク密度よりも倍以上
濃くする効果をもたらす。電子密度の濃い部分を1DE
Gのチャンネルに用いることによって、従来の1DEG
チャンネル作製法の欠点であった電流量の減少という本
質的な問題を克服することが出来、従来の高性能HEM
Tと比べても遜色のない性能を1DEG−FETでも発
揮することが出来る。
According to the present invention, the one-dimensional electronic structure formed on the side surface of the semiconductor having a sawtooth-shaped cross section is used as the active layer of the FET. Therefore, (1) a low noise characteristic utilizing the characteristics of the one-dimensional electronic system is obtained. (2) The heterojunction interface structure in which the curvature is periodically modulated in a sawtooth (triangular tooth) shape causes the density of the electron to vary, and the dark portion is the peak density of the channel carrier (for example, 2DEG) of the conventional device. The effect is more than doubled. 1DE for areas with high electron density
By using the G channel, the conventional 1DEG
It is possible to overcome the essential problem of the reduction of the amount of current, which is a drawback of the channel fabrication method, and it is possible to overcome the conventional high performance HEM.
Even if compared with T, 1DEG-FET can exhibit the same performance.

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

【図1】本発明の1次元チャネルキャリアトランジスタ
の実施例を示す斜視図及び断面図である
FIG. 1 is a perspective view and a cross-sectional view showing an embodiment of a one-dimensional channel carrier transistor of the present invention.

【図2】図1に示す素子のバンドダイアグラムであるFIG. 2 is a band diagram of the device shown in FIG.

【図3】従来例の一次元FETの平面図及び断面図であ
FIG. 3 is a plan view and a cross-sectional view of a conventional one-dimensional FET.

【図4】本発明の効果を説明するためのFETの平面図
である
FIG. 4 is a plan view of an FET for explaining the effect of the present invention.

【図5】本発明の効果を説明するための電子密度分布図
である
FIG. 5 is an electron density distribution diagram for explaining the effect of the present invention.

【図6】本発明と従来の2DEGの電子シート密度を比
較した図である
FIG. 6 is a diagram comparing the electronic sheet densities of the present invention and the conventional 2DEG.

【図7】本発明と従来の2DEGの電子シート密度を比
較した図である
FIG. 7 is a diagram comparing the electronic sheet densities of the present invention and the conventional 2DEG.

【図8】本発明と従来例のFETの高周波特性を示すグ
ラフである
FIG. 8 is a graph showing high frequency characteristics of FETs of the present invention and a conventional example.

【図9】本発明と従来例のFETの飽和領域におけるソ
ースドレイン電流のゲート電圧依存性を示すグラフであ
FIG. 9 is a graph showing the gate voltage dependence of the source / drain current in the saturation region of the FET of the present invention and the conventional example.

【図10】本発明の1実施例にかかるトランジスタを説
明するための図である
FIG. 10 is a diagram for explaining a transistor according to one example of the present invention.

【図11】本発明の1実施例にかかるトランジスタを説
明するための図である
FIG. 11 is a diagram for explaining a transistor according to one example of the present invention.

【図12】本発明の1実施例にかかるトランジスタを説
明するための図である
FIG. 12 is a diagram for explaining a transistor according to an example of the present invention.

【図13】本発明の1実施例にかかるトランジスタを説
明するための図である
FIG. 13 is a diagram for explaining a transistor according to one example of the present invention.

【図14】本発明の1実施例にかかるトランジスタを説
明するための図である
FIG. 14 is a diagram for explaining a transistor according to one example of the present invention.

【図15】本発明の1実施例にかかるトランジスタを説
明するための図である
FIG. 15 is a diagram for explaining a transistor according to one example of the present invention.

【図16】本発明の1実施例にかかるトランジスタを説
明するための図である
FIG. 16 is a diagram for explaining a transistor according to an example of the present invention.

【図17】本発明の1実施例にかかるトランジスタを説
明するための図である
FIG. 17 is a diagram for explaining a transistor according to one example of the present invention.

【図18】本発明の1実施例にかかるトランジスタを説
明するための図である
FIG. 18 is a diagram for explaining a transistor according to one example of the present invention.

【図19】本発明の1実施例にかかるトランジスタを説
明するための図である
FIG. 19 is a diagram for explaining a transistor according to one example of the present invention.

【図20】本発明の1実施例にかかるトランジスタを説
明するための図である
FIG. 20 is a diagram for explaining a transistor according to one example of the present invention.

【図21】本発明の1実施例にかかるトランジスタを説
明するための図である
FIG. 21 is a diagram for explaining a transistor according to one example of the present invention.

【図22】本発明に係る1次元チャネルキャリアトラン
ジスタの基本構成を説明するための図である
FIG. 22 is a diagram for explaining the basic configuration of a one-dimensional channel carrier transistor according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11…アンドープGaAs、13…n−AlxGa1-x
s、15…空乏層、16…アンドープAlyGa1-y
s、18…δドープ層単層若しくは数層、20…ゲート
電極、21…ソース電極、22…ドレイン電極、30…
1次元電子系チャネル、31…不活性領域、50〜53
…電子拡散経路、70〜73…電子拡散領域。
11 ... Undoped GaAs, 13 ... n-Al x Ga 1-x A
s, 15 ... Depletion layer, 16 ... Undoped Al y Ga 1-y A
s, 18 ... Single layer or several layers of δ-doped layer, 20 ... Gate electrode, 21 ... Source electrode, 22 ... Drain electrode, 30 ...
One-dimensional electron channel, 31 ... Inactive region, 50 to 53
... Electron diffusion path, 70-73 ... Electron diffusion region.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 坂口 春典 茨城県土浦市木田余町3550番地 日立電線 株式会社金属研究所内 (72)発明者 土屋 忠厳 茨城県土浦市木田余町3550番地 日立電線 株式会社金属研究所内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Harunori Sakaguchi 3550 Kitayo-cho, Tsuchiura-shi, Ibaraki Hitachi Cable Ltd. (72) Inventor Tadanori Tsuchiya 3550 Kidayo-cho, Tsuchiura-shi, Ibaraki Hitachi Cable Metal Research Institute Co., Ltd.

Claims (16)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】内部に電荷担体の流れを形成するための半
導体領域と、上記電荷担体の流れを制御するための制御
手段と、上記電荷担体を供給するための1対の電極とを
有し、上記半導体領域が上記電荷担体に対し実質的に1
次元のエネルギーポテンシャルを提供し、かつ上記1次
元の方向と交叉する方向に上記電荷担体を閉じ込めるた
めの実質的にカギ型のエネルギーポテンシャルを提供す
る1次元チャネルキャリアトランジスタ。
1. A semiconductor region for forming a flow of charge carriers therein, control means for controlling the flow of the charge carriers, and a pair of electrodes for supplying the charge carriers. , The semiconductor region is substantially 1 for the charge carriers
A one-dimensional channel carrier transistor that provides a dimensional energy potential and a substantially key-shaped energy potential for confining the charge carriers in a direction intersecting the one-dimensional direction.
【請求項2】請求項1に記載の1次元チャネルキャリア
トランジスタにおいて、前記電荷担体は半導体の伝導帯
に存在する電子若しくは価電子帯に存在する正孔である
1次元チャネルキャリアトランジスタ。
2. The one-dimensional channel carrier transistor according to claim 1, wherein the charge carrier is an electron existing in a conduction band of a semiconductor or a hole existing in a valence band.
【請求項3】請求項1に記載の1次元チャネルキャリア
トランジスタにおいて、前記電荷担体の流れはチャネル
を形成する1次元チャネルキャリアトランジスタ。
3. A one-dimensional channel carrier transistor according to claim 1, wherein the flow of charge carriers forms a channel.
【請求項4】請求項3に記載の1次元チャネルキャリア
トランジスタにおいて、前記チャネルは前記1対の電極
とオーミック接続をとる1次元チャネルキャリアトラン
ジスタ。
4. The one-dimensional channel carrier transistor according to claim 3, wherein the channel is in ohmic contact with the pair of electrodes.
【請求項5】請求項1に記載の1次元チャネルキャリア
トランジスタにおいて、前記制御手段は電界を印加する
ことにより前記電荷担体の流れを制御する1次元チャネ
ルキャリアトランジスタ。
5. The one-dimensional channel carrier transistor according to claim 1, wherein the control means controls the flow of the charge carriers by applying an electric field.
【請求項6】請求項1に記載の1次元チャネルキャリア
トランジスタにおいて、前記半導体領域は第1及び第2
の半導体領域を有し、これらの半導体領域のエネルギー
バンド端のエネルギー差に基づき上記電荷担体を誘起す
るようにした1次元チャネルキャリアトランジスタ。
6. The one-dimensional channel carrier transistor according to claim 1, wherein the semiconductor region has first and second semiconductor regions.
A one-dimensional channel carrier transistor having the semiconductor region of (1) and inducing the charge carriers based on the energy difference at the energy band edge of these semiconductor regions.
【請求項7】請求項6に記載の1次元チャネルキャリア
トランジスタにおいて、前記第2の半導体領域には導電
型不純物がドープされた不純物領域を有する1次元チャ
ネルキャリアトランジスタ。
7. The one-dimensional channel carrier transistor according to claim 6, wherein the second semiconductor region has an impurity region doped with a conductive impurity.
【請求項8】請求項6に記載の1次元チャネルキャリア
トランジスタにおいて、前記第1の半導体/第2の半導
体領域の具体的材料の組合せがGaAs/AlGaA
s、InGaAs/AlGaAs、InGaAs/Ga
As若しくはInGaAs/InAlAsである1次元
チャネルキャリアトランジスタ。
8. The one-dimensional channel carrier transistor according to claim 6, wherein the specific material combination of the first semiconductor / second semiconductor region is GaAs / AlGaA.
s, InGaAs / AlGaAs, InGaAs / Ga
A one-dimensional channel carrier transistor made of As or InGaAs / InAlAs.
【請求項9】請求項1に記載の1次元チャネルキャリア
トランジスタにおいて、前記半導体領域は上記1次元の
ポテンシャルを複数有する1次元チャネルキャリアトラ
ンジスタ。
9. The one-dimensional channel carrier transistor according to claim 1, wherein the semiconductor region has a plurality of the one-dimensional potentials.
【請求項10】請求項9に記載の1次元チャネルキャリ
アトランジスタにおいて、前記複数の1次元ポテンシャ
ルは相互に沿って形成されている1次元チャネルキャリ
アトランジスタ。
10. The one-dimensional channel carrier transistor according to claim 9, wherein the plurality of one-dimensional potentials are formed along each other.
【請求項11】請求項10に記載の1次元チャネルキャ
リアトランジスタにおいて、前記複数の1次元ポテンシ
ャルがこの1次元の方向と交叉する方向に周期的に配設
されている1次元チャネルキャリアトランジスタ。
11. The one-dimensional channel carrier transistor according to claim 10, wherein the plurality of one-dimensional potentials are periodically arranged in a direction intersecting with the one-dimensional direction.
【請求項12】チャネルを流れる電荷担体の拡散の自由
度を実質的に1次元に制限するポテンシャルバリアを有
する能動領域と、上記電荷担体の流れを制御するための
制御手段と、上記電荷担体を上記能動領域に供給するた
めの1対の電極とを有し、上記ポテンシャルバリアには
電荷担体を閉じ込めるための屈曲が存在する1次元チャ
ネルキャリアトランジスタ。
12. An active region having a potential barrier for substantially one-dimensionally limiting the degree of freedom of diffusion of charge carriers flowing through a channel, control means for controlling the flow of the charge carriers, and the charge carriers. A one-dimensional channel carrier transistor having a pair of electrodes for supplying to the active region, wherein the potential barrier has a bend for confining charge carriers.
【請求項13】請求項12に記載の1次元チャネルキャ
リアトランジスタにおいて、前記ポテンシャルバリアの
断面形状は三角波状、台形波状若しくは矩形波状である
1次元チャネルキャリアトランジスタ。
13. The one-dimensional channel carrier transistor according to claim 12, wherein the cross section of the potential barrier has a triangular wave shape, a trapezoidal wave shape, or a rectangular wave shape.
【請求項14】請求項12に記載の1次元チャネルキャ
リアトランジスタにおいて、前記制御手段は電界印加に
より前記電荷担体の流れを制御するものであり、この制
御手段と前記能動領域との間に導電型不純物がドープさ
れた不純物領域を含む電荷担体供給領域を有する1次元
チャネルキャリアトランジスタ。
14. The one-dimensional channel carrier transistor according to claim 12, wherein the control means controls the flow of the charge carriers by applying an electric field, and a conductivity type is provided between the control means and the active region. A one-dimensional channel carrier transistor having a charge carrier supply region including an impurity region doped with impurities.
【請求項15】請求項14に記載の1次元チャネルキャ
リアトランジスタにおいて、前記電荷担体供給領域に生
じる空乏領域の厚さが前記屈曲の影響により非一様であ
る1次元チャネルキャリアトランジスタ。
15. The one-dimensional channel carrier transistor according to claim 14, wherein the thickness of the depletion region generated in the charge carrier supply region is non-uniform due to the influence of the bending.
【請求項16】請求項15に記載の1次元チャネルキャ
リアトランジスタにおいて、前記電荷担体供給領域には
中性領域が存在しない1次元チャネルキャリアトランジ
スタ。
16. The one-dimensional channel carrier transistor according to claim 15, wherein the charge carrier supply region has no neutral region.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5530272A (en) * 1993-10-29 1996-06-25 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha High electron mobility transistor including periodic heterojunction interface
US6653667B2 (en) 2001-07-06 2003-11-25 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha GaAs-based semiconductor field-effect transistor
JPWO2019155504A1 (en) * 2018-02-06 2021-01-28 日産自動車株式会社 Semiconductor device
US11973135B2 (en) 2018-02-06 2024-04-30 Nissan Motor Co., Ltd. Semiconductor device

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