JPH06310536A - Field-effect transistor and its manufacture - Google Patents

Field-effect transistor and its manufacture

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JPH06310536A
JPH06310536A JP1949694A JP1949694A JPH06310536A JP H06310536 A JPH06310536 A JP H06310536A JP 1949694 A JP1949694 A JP 1949694A JP 1949694 A JP1949694 A JP 1949694A JP H06310536 A JPH06310536 A JP H06310536A
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JP
Japan
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layer
channel
concentration
semiconductor
layers
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Application number
JP1949694A
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Japanese (ja)
Inventor
Kenichiro Matsuzaki
賢一郎 松崎
Kenichi Yoshida
健一 吉田
Nobuo Shiga
信夫 志賀
Shigeru Nakajima
成 中島
Nobuchika Kuwata
展周 桑田
Kenji Otobe
健二 乙部
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Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
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Publication date
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Publication of JPH06310536A publication Critical patent/JPH06310536A/en
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Abstract

PURPOSE:To provide a high-speed FET whose output current is satisfactorily large and a FET whose channel electron mobility is high and saturation electron velocity is high. CONSTITUTION:A buffer layer 2, a first channel layer 3, a first spacer layer 4, a second channel layer 5, a second spacer layer 6, a third channel layer 7 and a cap layer 8 are formed by crystallization on a semi-insulating GaAs semiconductor substrate 1 one by one. A drain region 9 and a source region 10 are formed thereafter, and a gate electrode 11 is formed in Schottky contact with the cap layer 8. A drain electrode 12 and a source electrode 13 are formed in ohmic contact with the drain region 9 and the source region 10.

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、超高速動作をする電界
効果トランジスタ(FET)の構造およびその製造方法
に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a structure of a field effect transistor (FET) which operates at a very high speed and a manufacturing method thereof.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、超高速動作を実現するFETとし
て、電流チャネルが形成される活性層をいわゆるパルス
ドープ構造にしたものがある。このパルスドープ構造の
FETにおいては、活性層の不純物プロファイルは基板
表面から所定の深さまではアンドープ状態になってい
る。しかし、基板表面から所定の深さに達すると不純物
濃度はパルス状もしくはステップ状に変化して高濃度に
なり、さらに、深い基板位置では再びアンドープ状態に
戻る。このようなパルスドープ構造FETとしては、例
えば、米国特許4163984号公報や次の文献の759
頁に示されている。
2. Description of the Related Art Conventionally, there is an FET having a so-called pulse-doped structure in an active layer in which a current channel is formed as an FET which realizes an ultra-high speed operation. In this pulse-doped FET, the impurity profile of the active layer is in an undoped state up to a predetermined depth from the substrate surface. However, when reaching a predetermined depth from the surface of the substrate, the impurity concentration changes in a pulse shape or a step shape to a high concentration, and further returns to an undoped state at a deep substrate position. An example of such a pulse-doped structure FET is, for example, US Pat. No. 4,163,984 or the following document 759.
Shown on the page.

【0003】1986 IEEE IEDM 「A 760mS/mm N+SELF-AL
IGNED ENHANCEMENT MODE DOPED-CHANNEL MIS-LIKE FET
(DMT)」しかし、このようなパルスドープ構造FETに
おいては、電流チャネルを形成する電子量を十分に確保
することができない。このため、本出願人による別途の
特許出願(特開平4−245646号公報)において、
活性層を2層設けたパルスドープ構造を持つFETが提
案されている。このようなFETによれば、活性層が2
層設けられているため、電流チャネルを形成する電子量
は増加し、高出力化が図られる。
1986 IEEE IEDM “A 760mS / mm N + SELF-AL
IGNED ENHANCEMENT MODE DOPED-CHANNEL MIS-LIKE FET
(DMT) ”However, in such a pulse-doped structure FET, it is not possible to sufficiently secure the amount of electrons forming the current channel. Therefore, in a separate patent application by the present applicant (Japanese Patent Laid-Open No. 4-245646),
An FET having a pulse-doped structure in which two active layers are provided has been proposed. According to such a FET, the active layer has two layers.
Since the layers are provided, the amount of electrons forming the current channel is increased and high output is achieved.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の活性層を2層設ける構造のFETにおいて、ドレイ
ン電極側の表面空乏層に起因して長ゲート効果が発生す
ると、実効ゲート長が増大すると共にこの表面空乏層に
より、基板の表面側に設けられた活性層が空乏化してし
まう。活性層が空乏化してしまうとチャネル電子の走行
は妨げられ、電流チャネルを形成する電子の総量は減少
した。この結果、上記従来の構造をしたFETにおいて
は高い電流出力が得られないことがあった。
However, in a conventional FET having a structure in which two active layers are provided, if the long gate effect occurs due to the surface depletion layer on the drain electrode side, the effective gate length increases and The surface depletion layer depletes the active layer provided on the surface side of the substrate. When the active layer is depleted, channel electrons are prevented from traveling and the total amount of electrons forming the current channel is reduced. As a result, a high current output may not be obtained in the FET having the conventional structure.

【0005】また、上記米国特許に示されるような従来
のパルスドープ構造FETにおいては、チャネルを形成
する電子は低電界領域において不純物濃度の高い活性層
を走行する。このため、電子は不純物散乱の影響を大き
く受け、低電界領域において電子移動度は低下した。こ
の結果、素子の高周波動作特性は十分に向上されなかっ
た。また、ゲート電圧の変化に対するドレイン電流の変
化量を表す相互コンダクタンスgm は、一定のゲート電
圧変化にわたって一定値を保持することができなかっ
た。
In the conventional pulse-doped structure FET as shown in the above-mentioned US patent, the electrons forming the channel travel in the active layer having a high impurity concentration in the low electric field region. Therefore, the electrons were greatly affected by the impurity scattering, and the electron mobility decreased in the low electric field region. As a result, the high frequency operation characteristics of the device were not sufficiently improved. Further, the transconductance g m, which represents the amount of change in drain current with respect to the change in gate voltage, could not be maintained at a constant value over a constant change in gate voltage.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明はこのような課題
を解消するためになされたもので、不純物を高濃度に含
んで薄層化された半導体層をチャネル層とするFETに
おいて、上記チャネル層はアンドープ層を挟んで上記半
導体層が3層以上形成されていることを特徴とするもの
である。
The present invention has been made in order to solve such a problem, and in an FET using a semiconductor layer thinned with a high concentration of impurities as a channel layer, the above-mentioned channel is used. The layer is characterized in that three or more semiconductor layers are formed with an undoped layer interposed therebetween.

【0007】また、不純物を高濃度に含んで薄層化され
た半導体層をチャネル層とするFETにおいて、上記チ
ャネル層はアンドープ層を挟んで上記半導体層が複数形
成され、これら半導体層のうち最も基板表面側に位置す
る半導体層の上部にアンドープ層を挟んでドーピング層
が形成され、このドーピング層の不純物濃度および厚さ
は、表面空乏層が上記チャネル層にまで広がらない所定
の不純物濃度および所定の厚さに形成されていることを
特徴とするものである。
Further, in an FET having a channel layer of a semiconductor layer thinned by containing impurities at a high concentration, the channel layer is formed of a plurality of semiconductor layers with an undoped layer sandwiched therebetween. A doping layer is formed above the semiconductor layer located on the surface side of the substrate with an undoped layer sandwiched between them. The doping concentration and thickness of the doping layer are set such that the surface depletion layer does not spread to the channel layer. It is characterized in that it is formed to a thickness of.

【0008】また、不純物を高濃度に含んで薄層化され
た半導体層をチャネル層とするFETにおいて、上記チ
ャネル層を構成する上記半導体層は複数形成され、これ
ら各半導体層間にはこれら半導体層の不純物濃度に比較
して低濃度に不純物を含む中間濃度層が形成されている
ものである。
Further, in an FET using as a channel layer a semiconductor layer thinned by containing impurities at a high concentration, a plurality of the semiconductor layers forming the channel layer are formed, and these semiconductor layers are provided between these semiconductor layers. The intermediate concentration layer containing impurities at a lower concentration than the impurity concentration of 1. is formed.

【0009】また、上記中間濃度層は、各半導体層の不
純物が熱処理によってアンドープ層に拡散して形成され
ているものであり、また、不純物濃度が制御された結晶
成長によって形成されているものである。
The intermediate concentration layer is formed by diffusing the impurities of each semiconductor layer into the undoped layer by heat treatment, and is also formed by crystal growth in which the impurity concentration is controlled. is there.

【0010】[0010]

【作用】表面空乏層の基板表面から深部へ向けての延び
は、最も基板表面側に位置する半導体層によって遮られ
る。チャネル層を構成する半導体層はアンドープ層を挟
んで3層以上形成されており、最も基板表面側に位置す
る半導体層より深い半導体基板には複数の半導体層が設
けられている。このため、最も基板表面側に位置する半
導体層が空乏化しても、電流チャネルを形成する電子量
は十分に確保される。
The extension of the surface depletion layer from the substrate surface to the deep portion is blocked by the semiconductor layer located closest to the substrate surface side. The semiconductor layers forming the channel layer are formed in three or more layers with the undoped layer sandwiched therebetween, and a plurality of semiconductor layers are provided in the semiconductor substrate deeper than the semiconductor layer located closest to the substrate surface side. Therefore, even if the semiconductor layer located closest to the substrate surface side is depleted, a sufficient amount of electrons forming the current channel is secured.

【0011】また、最も基板表面側に位置するチャネル
層の上部に所定の不純物濃度および厚さでドーピング層
が形成されていると、表面空乏層の基板表面から深部へ
向けての延びは、チャネル層の上部に設けられたこのド
ーピング層によって遮られる。このドーピング層の下部
にはチャネル層を構成する複数の半導体層が設けられて
いるため、電流チャネルを形成する電子量は十分に確保
される。
Further, when a doping layer is formed with a predetermined impurity concentration and a predetermined thickness on the channel layer located closest to the substrate surface, the surface depletion layer extends from the substrate surface to the deep portion. It is blocked by this doping layer provided on top of the layer. Since a plurality of semiconductor layers forming the channel layer are provided below the doping layer, the amount of electrons forming the current channel is sufficiently secured.

【0012】また、複数の半導体層間に中間濃度層が形
成されたFETにおいては、この中間濃度層に低濃度に
不純物が含まれているため、この中間濃度層に存在する
不純物によってもチャネル電子が生成される。従って、
電流チャネルを形成する電子は、低電界領域においても
半導体層間の中間濃度層に分布し、半導体層よりも不純
物濃度の低い中間濃度層を走行するようになる。
Further, in the FET in which the intermediate concentration layer is formed between the plurality of semiconductor layers, since the intermediate concentration layer contains impurities at a low concentration, channel electrons are also generated by the impurities present in the intermediate concentration layer. Is generated. Therefore,
The electrons forming the current channel are distributed in the intermediate concentration layer between the semiconductor layers even in the low electric field region, and travel in the intermediate concentration layer having a lower impurity concentration than the semiconductor layer.

【0013】また、この中間濃度層が熱処理が加えられ
て形成される場合には、複数の各半導体層を最も外側で
挟む各層にも不純物が低濃度に含まれ、チャネル電子は
この両最外層にも分布するようになる。従って、チャネ
ル電子は中間濃度層以外にも不純物濃度の低いこの両最
外層を走行するようになる。
When the intermediate concentration layer is formed by heat treatment, impurities are contained in a low concentration in each layer sandwiching the plurality of semiconductor layers on the outermost side, and channel electrons are included in both outermost layers. Will also be distributed. Therefore, the channel electrons travel in both outermost layers having a low impurity concentration in addition to the intermediate concentration layer.

【0014】[0014]

【実施例】図1は本発明の第1の実施例によるFETの
製造方法を示す工程断面図である。以下にこの製造方法
について説明する。
FIG. 1 is a process sectional view showing a method of manufacturing an FET according to a first embodiment of the present invention. This manufacturing method will be described below.

【0015】半絶縁性GaAs半導体基板1上に、MB
E(分子線エピタキシ)法やOMVPE(有機金属気相
エピタキシャル)法などの結晶成長技術を用いて以下に
述べる各半導体層が順次堆積させられる。まず、GaA
s半導体基板1上にアンドープのGaAsバッファ層2
が結晶成長される。このバッファ層2は、OMVPE法
で形成した場合、III 族原料であるGaおよびV族原料
であるAsの各供給比が制御されてバックグラウンド導
電型がp- 型のアンドープに設定される。その不純物濃
度は5×1016[cm-3]以下の低い不純物濃度に抑えら
れる。
MB is formed on the semi-insulating GaAs semiconductor substrate 1.
Each semiconductor layer described below is sequentially deposited using a crystal growth technique such as an E (molecular beam epitaxy) method or an OMVPE (organic metal vapor phase epitaxial) method. First, GaA
s Undoped GaAs buffer layer 2 on semiconductor substrate 1
Are crystal-grown. When the buffer layer 2 is formed by the OMVPE method, the supply ratio of each of the group III raw material Ga and the group V raw material As is controlled to set the background conductivity type to p -type undoped. The impurity concentration is suppressed to a low impurity concentration of 5 × 10 16 [cm −3 ] or less.

【0016】次に、バッファ層2上にSiドープGaA
s層が結晶成長され、第1の半導体層としての第1のチ
ャネル層3が形成される。この第1のチャネル層3はn
型不純物であるSiイオンを3×1018[cm-3]程度に
高濃度に含み、厚さは80Åに薄層化される。引き続い
て、この第1のチャネル層3上にアンドープGaAsか
らなる第1のスペーサ層4が50Åの厚さに結晶成長さ
れる。この第1のスペーサ層4のバックグラウンド導電
性はOMVPE法で形成した場合にはn- 型になってお
り、その不純物濃度は5×1015[cm-3]以下の低い不
純物濃度に抑えられる。なお、この第1のスペーサ層4
のバックグラウンド導電性は、MBE法で形成した場合
にはp- 型になる。
Next, Si-doped GaA is formed on the buffer layer 2.
The s layer is crystal-grown to form the first channel layer 3 as the first semiconductor layer. This first channel layer 3 is n
Si ions as a type impurity are contained in a high concentration of about 3 × 10 18 [cm −3 ] and the thickness is reduced to 80 Å. Subsequently, the first spacer layer 4 made of undoped GaAs is crystal-grown on the first channel layer 3 to a thickness of 50Å. The background conductivity of the first spacer layer 4 is n type when formed by the OMVPE method, and the impurity concentration thereof is suppressed to a low impurity concentration of 5 × 10 15 [cm −3 ] or less. . The first spacer layer 4
Has a p - type conductivity when formed by the MBE method.

【0017】さらに、この第1のスペーサ層4上に、第
2の半導体層としての第2のチャネル層5、第2のスペ
ーサ層6、第3の半導体層としての第3のチャネル層7
およびキャップ層8が順次結晶成長される(図1(a)
参照)。これら第2、第3の各チャネル層5、7は、第
1のチャネル層3と同じ不純物濃度のSiドープGaA
sを用いて形成され、第2のチャネル層5は70Åの厚
さ、第3のチャネル層7は80Åの厚さに形成される。
また、第2のスペーサ層6は第1のスペーサ層4と同じ
アンドープGaAsで同じ厚さに形成される。また、キ
ャップ層8は第1および第2の各スペーサ層4、6と同
じアンドープGaAsによって形成されるが、その厚
さ、つまり、基板表面から第3のチャネル層7までの深
さは400Åに形成される。
Further, on this first spacer layer 4, a second channel layer 5 as a second semiconductor layer, a second spacer layer 6, and a third channel layer 7 as a third semiconductor layer.
And the cap layer 8 are sequentially crystal-grown (FIG. 1A).
reference). These second and third channel layers 5 and 7 are made of Si-doped GaA having the same impurity concentration as that of the first channel layer 3.
The second channel layer 5 is formed to have a thickness of 70Å, and the third channel layer 7 is formed to have a thickness of 80Å.
The second spacer layer 6 is formed of the same undoped GaAs as the first spacer layer 4 and has the same thickness. The cap layer 8 is formed of the same undoped GaAs as the first and second spacer layers 4 and 6, but the thickness thereof, that is, the depth from the substrate surface to the third channel layer 7 is 400 Å. It is formed.

【0018】次に、リソグラフィ技術を用いてソース・
ドレイン領域パターンが基板表面に形成され、このパタ
ーンをマスクとして高濃度のSiイオンが選択的にイオ
ン注入される。この選択イオン注入により、n+ 型のド
レイン領域9およびソース領域10が形成される。次
に、蒸着技術、リソグラフィ技術およびエッチング技術
等を用いてゲート電極11が形成される(同図(b)参
照)。このゲート電極11はドレイン領域9から遠ざけ
られた位置に形成される。
Next, the source and
A drain region pattern is formed on the substrate surface, and high-concentration Si ions are selectively ion-implanted using this pattern as a mask. By this selective ion implantation, the n + type drain region 9 and the source region 10 are formed. Next, the gate electrode 11 is formed by using a vapor deposition technique, a lithography technique, an etching technique, etc. (see FIG. 2B). The gate electrode 11 is formed at a position away from the drain region 9.

【0019】最後に、同様な蒸着技術やリソグラフィ技
術等が用いられ、ドレイン領域9およびソース領域10
にオーミック接触したドレイン電極12およびソース電
極13が形成される。この電極形成により、ショットキ
接触型FET(MESFET)が完成される(同図
(c)参照)。
Finally, the same vapor deposition technique, lithography technique, etc. are used to form the drain region 9 and the source region 10.
A drain electrode 12 and a source electrode 13 which are in ohmic contact with the are formed. By this electrode formation, a Schottky contact type FET (MESFET) is completed (see FIG. 2C).

【0020】本実施例におけるゲート電極11下の不純
物プロファイルは図2のグラフに示す構成になってい
る。同グラフの横軸は基板表面からの深さd[μm]を
示し、縦軸はn型Si不純物の濃度ND [cm-3]を示
す。この不純物プロファイルにおいては局部的にパルス
状に不純物濃度が高くなっている。基板表面側のパルス
状部分は高濃度に不純物を含む第3のチャネル層7に相
当するプロファイルであり、これに隣接するパルス状部
分は同じく高濃度に不純物を含む第2のチャネル層5、
さらに基板深部のパルス状部分は第1のチャネル層3に
相当するプロファイルである。
The impurity profile under the gate electrode 11 in this embodiment has the structure shown in the graph of FIG. The horizontal axis of the graph represents the depth d [μm] from the substrate surface, and the vertical axis represents the concentration N D [cm −3 ] of the n-type Si impurity. In this impurity profile, the impurity concentration is locally increased in a pulse shape. The pulse-like portion on the substrate surface side has a profile corresponding to the third channel layer 7 containing a high concentration of impurities, and the pulse-like portion adjacent thereto has the second channel layer 5 also containing a high concentration of impurities,
Further, the pulse-like portion in the deep portion of the substrate has a profile corresponding to the first channel layer 3.

【0021】このような本実施例によるFETにおい
て、ドレイン電極12側の基板表面の界面準位に起因し
て表面空乏層が生じても、この表面空乏層の基板深部へ
の延びは、最も基板の表面側に位置する第3のチャネル
層7によって遮られる。また、この第3のチャネル層7
より深い基板位置には第2および第1の2つのチャネル
層5、3が設けられている。従って、第3のチャネル層
7を走行する電子が表面空乏層によって遮られても、第
2および第1の各チャネル層5、3に高濃度に存在する
不純物によってチャネル電子の量は十分に確保される。
In the FET according to the present embodiment, even if a surface depletion layer is generated due to the interface state of the substrate surface on the drain electrode 12 side, the extension of the surface depletion layer to the deepest part of the substrate is the most. Is blocked by the third channel layer 7 located on the surface side of the. In addition, the third channel layer 7
The second and first channel layers 5, 3 are provided at the deeper substrate position. Therefore, even if the electrons traveling in the third channel layer 7 are blocked by the surface depletion layer, the amount of channel electrons is sufficiently secured by the impurities present in the second and first channel layers 5 and 3 at a high concentration. To be done.

【0022】すなわち、ドレイン・ソース間に低い電界
が印加されている時には、複数の各チャネル層5、3に
生じた多量の電子の一部は、電子輸送特性の優れたアン
ドープの第2および第1の各スペーサ層6、4並びにバ
ッファ層2に存在する確率が高い。このため、不純物散
乱の影響を受けることなく多くの電子がドレイン・ソー
ス間を高速に走行する。また、ドレイン・ソース間に高
い電界が印加されると、チャネルを形成するさらに多く
の電子はエネルギを得、複数の各チャネル層5、3を挟
んでいる電子輸送特性の優れたアンドープの各スペーサ
層6、4並びにバッファ層2へ飛び出す。このため、や
はり、不純物散乱の影響を受けることなく多量の電子が
ドレイン・ソース間を走行する。この結果、チャネル層
が2層しか形成されていない従来のFETに比較し、電
子輸送特性の優れた各スペーサ層6、4並びにバッファ
層2にキャリアが存在する割合は増大し、出力電流は表
面空乏層の影響を受けることなく十分に高く維持され
る。従って、従来のように出力が低下するといった問題
は生じない。
That is, when a low electric field is applied between the drain and the source, a part of a large amount of electrons generated in each of the plurality of channel layers 5 and 3 is partially undoped in the second and the second undoped layers having excellent electron transport characteristics. There is a high probability that they exist in each of the spacer layers 6 and 4 of No. 1 and the buffer layer 2. Therefore, many electrons travel at high speed between the drain and the source without being affected by the impurity scattering. Further, when a high electric field is applied between the drain and the source, more electrons forming a channel obtain energy, and each undoped spacer having excellent electron transporting properties sandwiching each of the plurality of channel layers 5, 3 is provided. Jump out to layers 6, 4 and buffer layer 2. Therefore, again, a large amount of electrons travel between the drain and the source without being affected by the impurity scattering. As a result, as compared with the conventional FET in which only two channel layers are formed, the ratio of carriers existing in each of the spacer layers 6 and 4 having excellent electron transport characteristics and the buffer layer 2 is increased, and the output current is increased on the surface. It is kept sufficiently high without being affected by the depletion layer. Therefore, the problem that the output is lowered unlike the conventional case does not occur.

【0023】次に、不純物を高濃度に含んで薄層化され
た半導体層が3層設けられてチャネル層が形成された本
実施例によるパルスドープ構造FETと、チャネル層に
半導体層が1層しか形成されていない従来のパルスドー
プ構造FETとの特性を比較すると、以下のようにな
る。
Next, the pulse-doped structure FET according to the present embodiment in which the channel layer is formed by providing three semiconductor layers thinned by containing impurities at a high concentration, and only one semiconductor layer is formed in the channel layer. The following is a comparison of the characteristics with the conventional pulse-doped structure FET which is not formed.

【0024】ここで、従来のパルスドープ構造FETは
図3に示される断面構造を有している。つまり、半絶縁
性GaAs半導体基板21上にバックグラウンド導電性
がp- 型のアンドープGaAsバッファ層22が形成さ
れており、このバッファ層22上にSi不純物を高濃度
に含むチャネル層23が形成されている。このチャネル
層23のSi不純物濃度は3×1018[cm-3]であ
り、その厚さは230Åである。さらに、このチャネル
層23上にバックグラウンド導電性がn- 型のアンドー
プGaAsからなるキャップ層24が400Åの厚さに
形成されている。また、チャネル層23を挟んでn+
のドレイン領域25およびソース領域26が形成されて
おり、キャップ層24にショットキ接触してゲート電極
27が、ドレイン、ソース領域25、26にオーミック
接触してドレイン、ソース電極28、29が形成されて
いる。
Here, the conventional pulse-doped structure FET has the sectional structure shown in FIG. That is, an undoped GaAs buffer layer 22 having a p type background conductivity is formed on the semi-insulating GaAs semiconductor substrate 21, and a channel layer 23 containing a high concentration of Si impurities is formed on the buffer layer 22. ing. The Si impurity concentration of this channel layer 23 is 3 × 10 18 [cm −3 ] and its thickness is 230 Å. Furthermore, a cap layer 24 made of undoped GaAs having a background conductivity of n type is formed on the channel layer 23 with a thickness of 400 Å. Further, an n + type drain region 25 and a source region 26 are formed with the channel layer 23 sandwiched therebetween, and the gate electrode 27 makes Schottky contact with the cap layer 24 and makes ohmic contact with the drain and source regions 25, 26. Drain and source electrodes 28 and 29 are formed.

【0025】図4に示すグラフは上記本実施例によるゲ
ート長0.7μm、ゲート幅20μmのFETの特性を
示し、図5に示すグラフは図3に示される従来のゲート
長0.7μm、ゲート幅20μmのFETの特性を示し
ている。各グラフの横軸はゲート電圧VG [V]を示し
ており、0.5000[V]/div.で目盛られてい
る。また、各グラフの縦軸はドレイン電流ID [mA]
および相互コンダクタンスgm [mS]を示している。
各グラフの左に示される縦軸は特性線Aに対応するドレ
イン電流ID を示しており、1.000[mA]/di
v.で目盛られている。また、各グラフの右に示される
縦軸は特性線Bに対応する相互コンダクタンスgm を示
しており、25.00[mS]/div.で目盛られて
いる。
The graph shown in FIG. 4 shows the characteristics of the FET having the gate length of 0.7 μm and the gate width of 20 μm according to the present embodiment, and the graph shown in FIG. 5 shows the conventional gate length of 0.7 μm and the gate shown in FIG. The characteristics of the FET having a width of 20 μm are shown. The horizontal axis of each graph shows the gate voltage V G [V], which is 0.5000 [V] / div. Is graduated. The vertical axis of each graph is the drain current I D [mA]
And the transconductance g m [mS] is shown.
The vertical axis shown on the left of each graph shows the drain current I D corresponding to the characteristic line A, which is 1.000 [mA] / di.
v. Is graduated. The vertical axis shown on the right of each graph shows the mutual conductance g m corresponding to the characteristic line B, which is 25.00 [mS] / div. Is graduated.

【0026】各グラフにおける特性線Aはゲート電圧V
G の変化に対するドレイン電流IDの変化を示してお
り、特性線Bはゲート電圧VG の変化に対する相互コン
ダクタンスgm の変化を示している。これら各グラフの
特性線Aから、ゲート電圧VGが0[V]の時における
ドレイン電流ID は、図4に示す本実施例によるFET
では約7.7[mA]あるのに対し、図5に示す従来F
ETでは約6.7[mA]しかないことが理解される。
すなわち、本実施例によるFETにおいては高い電流出
力が得られており、高出力のFETが提供されている。
The characteristic line A in each graph is the gate voltage V
The change of the drain current I D with respect to the change of G is shown, and the characteristic line B shows the change of the mutual conductance g m with respect to the change of the gate voltage V G. From the characteristic lines A of these graphs, the drain current I D when the gate voltage V G is 0 [V] is the FET according to this embodiment shown in FIG.
Is about 7.7 [mA], whereas conventional F shown in FIG.
It is understood that there is only about 6.7 [mA] in ET.
That is, in the FET according to this embodiment, a high current output is obtained, and a high output FET is provided.

【0027】また、各グラフの特性線Bから、ゲート電
圧VG が0[V]の時における相互コンダクタンスgm
は、図4に示す本実施例によるFETでは約161[m
S]あるのに対し、図5に示す従来FETでは約137
[mS]しかないことが理解される。すなわち、本実施
例によるFETにおいては高いgm が得られている。し
かも、本実施例によるFETにおいては、gm 値はゲー
ト電圧VG 変化に対してより広い範囲にわたって一定に
保たれている。従って、本実施例によるFETにおいて
はVG −gm 特性が向上しており、高周波特性の良好な
FETが提供される。
From the characteristic line B of each graph, the mutual conductance g m when the gate voltage V G is 0 [V] is shown.
Is about 161 [m in the FET according to the present embodiment shown in FIG.
S], the conventional FET shown in FIG.
It is understood that there is only [mS]. That is, a high g m is obtained in the FET according to this embodiment. Moreover, in the FET according to this embodiment, the g m value is kept constant over a wider range with respect to the change in the gate voltage V G. Accordingly, in the FET of this embodiment has improved V G -g m characteristic, good FET of the high-frequency characteristics can be provided.

【0028】なお、上記実施例の説明においては、第1
および第3のチャネル層3、7を80Å、第2のチャネ
ル層5を70Åの厚さに形成したが、これら各チャネル
層は50〜150Å程度の範囲内の厚さに形成されてい
ればよい。また、第1および第2のスペーサ層4、6を
50Åの厚さに形成したが、この厚さは、電子の波動関
数の拡がり程度の厚さ、つまり、50〜200Å程度の
範囲内の厚さに形成されればよい。また、キャップ層8
を400Åの厚さに形成したが、300〜500Å程度
の範囲内の厚さに形成されればよい。各半導体層をこれ
らの厚さに形成した場合においても上記実施例と同様な
効果が奏される。
In the description of the above embodiment, the first
Further, the third channel layers 3 and 7 are formed to have a thickness of 80 Å and the second channel layer 5 is formed to have a thickness of 70 Å, but each of these channel layers may be formed to a thickness within a range of about 50 to 150 Å. . Further, the first and second spacer layers 4 and 6 are formed to have a thickness of 50 Å. This thickness is about the spread of the electron wave function, that is, the thickness within the range of about 50 to 200 Å. It may be formed in any size. Also, the cap layer 8
Was formed to a thickness of 400 Å, it may be formed to a thickness within the range of about 300 to 500 Å. Even when each semiconductor layer is formed to have these thicknesses, the same effect as that of the above-described embodiment can be obtained.

【0029】また、上記実施例の説明においては、第
1,第2および第3のチャネル層3,5および7の各不
純物濃度を3×1018[cm-3]としたが、1×1018
〜5×1018[cm-3]の範囲の不純物濃度で各チャネ
ル層を形成してもよく、この場合においても上記実施例
と同様な効果が奏される。
Further, in the above description of the embodiment, the impurity concentration of each of the first, second and third channel layers 3, 5 and 7 is set to 3 × 10 18 [cm −3 ], but 1 × 10. 18
Each channel layer may be formed with an impurity concentration in the range of up to 5 × 10 18 [cm −3 ], and in this case, the same effect as that of the above-described embodiment can be obtained.

【0030】また、上記実施例の説明においてはチャネ
ル層を構成する半導体層を3層形成した場合について説
明したが、層数はこれに限定されるものでなく、3層以
上形成されていればよく、この場合においても上記実施
例と同様な効果が奏される。
In the above description of the embodiment, the case where three semiconductor layers forming the channel layer are formed has been described. However, the number of layers is not limited to this, and if three or more layers are formed. Of course, also in this case, the same effect as that of the above-described embodiment can be obtained.

【0031】また、上記実施例の説明においては各チャ
ネル層3、5、7を等間隔に形成したが、最も基板表面
に近い第3のチャネル層7の基板表面からの形成位置の
みを変えることにより、表面空乏層の基板深部への影響
を除去するようにしてもよい。この場合においても上記
実施例と同様な効果が奏される。
Further, although the channel layers 3, 5 and 7 are formed at equal intervals in the description of the above embodiment, only the formation position of the third channel layer 7 closest to the substrate surface from the substrate surface is changed. Thus, the influence of the surface depletion layer on the deep portion of the substrate may be removed. Also in this case, the same effect as that of the above-described embodiment is obtained.

【0032】図6は本発明の第2の実施例によるFET
の構造を示す断面図である。
FIG. 6 shows a FET according to the second embodiment of the present invention.
It is a cross-sectional view showing the structure of.

【0033】半絶縁性GaAs半導体基板31上には、
バックグラウンド導電性がp- 型に設定されたアンドー
プのGaAsバッファ層32が結晶成長されている。こ
のバッファ層32上には第1の半導体層としての第1の
チャネル層33、第1のスペーサ層34、第2の半導体
層としての第2のチャネル層34および第2のスペーサ
層36が結晶成長されている。第1のチャネル層33お
よび第2のチャネル層35はn型不純物であるSiイオ
ンが高濃度にドープされたGaAsによって形成されて
おり、その不純物濃度は4×1018[cm-3]に高濃度に
設定されている。なお、このチャネル層33,35の不
純物濃度は1×1018〜5×1018[cm-3]の範囲に設
定される。また、第1および第2の各チャネル層33、
35の厚さは80Åに薄層化されている。第1および第
2の各スペーサ層34、36はバックグラウンド導電性
がn- 型のアンドープのGaAsからなり、その不純物
濃度は1×1015[cm-3]以下に設定されている。ま
た、第1のスペーサ層34の厚さは50Å、第2のスペ
ーサ層36の厚さは150Åに設定されている。
On the semi-insulating GaAs semiconductor substrate 31,
An undoped GaAs buffer layer 32 having a background conductivity set to p type is crystal-grown. On this buffer layer 32, a first channel layer 33 serving as a first semiconductor layer, a first spacer layer 34, a second channel layer 34 serving as a second semiconductor layer, and a second spacer layer 36 are crystallized. Is growing. The first channel layer 33 and the second channel layer 35 are formed of GaAs that is heavily doped with Si ions, which are n-type impurities, and the impurity concentration is as high as 4 × 10 18 [cm −3 ]. It is set to concentration. The impurity concentration of the channel layers 33 and 35 is set in the range of 1 × 10 18 to 5 × 10 18 [cm −3 ]. In addition, the first and second channel layers 33,
The thickness of 35 is thinned to 80Å. Each of the first and second spacer layers 34 and 36 is made of undoped GaAs having a background conductivity of n type, and the impurity concentration thereof is set to 1 × 10 15 [cm −3 ] or less. The thickness of the first spacer layer 34 is set to 50Å, and the thickness of the second spacer layer 36 is set to 150Å.

【0034】第2のスペーサ36上にはn型のSiイオ
ンを不純物に含むドーピング層37が形成されている。
このドーピング層37の不純物濃度および厚さは、表面
空乏層が第1および第2の各チャネル層33、35にま
で広がらない所定の不純物濃度および所定の厚さ、例え
ば、不純物濃度が4×1018[cm-3]で厚さが50Åに
形成されている。ドーピング層37のこの不純物濃度は
1×1018〜5×1018[cm-3]の範囲に設定され、こ
の厚さは数10〜100Å程度の厚さに形成される。さ
らに、このドーピング層37上にはキャップ層38が形
成されており、このキャップ層38はバックグラウンド
導電性がn- 型のアンドープのGaAsからなり、その
不純物濃度は1×1015[cm-3]以下に設定されてい
る。
A doping layer 37 containing n-type Si ions as an impurity is formed on the second spacer 36.
The impurity concentration and the thickness of the doping layer 37 are such that the surface depletion layer does not spread to the first and second channel layers 33 and 35, and the predetermined impurity concentration and the predetermined thickness, for example, the impurity concentration is 4 × 10. It has a thickness of 50 Å at 18 [cm -3 ]. The impurity concentration of the doping layer 37 is set in the range of 1 × 10 18 to 5 × 10 18 [cm −3 ] and the thickness thereof is formed to be several 10 to 100 Å. Further, a cap layer 38 is formed on the doping layer 37. The cap layer 38 is made of undoped GaAs having a background conductivity of n type, and its impurity concentration is 1 × 10 15 [cm −3. ] It is set below.

【0035】また、Siイオンが高濃度にドープされた
+ 型のドレイン領域39およびソース領域40が各チ
ャネル層33、35およびドーピング層37に重ねて形
成されている。ゲート電極41はキャップ層38にオー
ミック接触して形成されており、ドレイン電極42およ
びソース電極43はドレイン領域39およびソース領域
40にオーミック接触して形成されている。
Further, an n + type drain region 39 and a source region 40, which are heavily doped with Si ions, are formed so as to overlap the respective channel layers 33, 35 and the doping layer 37. The gate electrode 41 is formed in ohmic contact with the cap layer 38, and the drain electrode 42 and the source electrode 43 are formed in ohmic contact with the drain region 39 and the source region 40.

【0036】このような第2の実施例によるFETにお
いて、ドレイン電極42側の基板表面の界面準位に起因
して表面空乏層が生じ、この表面空乏層が基板深部に延
びようとしても、この延びはドーピング層37が上述の
ように所定の不純物濃度および厚さに形成されているた
めに遮られる。また、このドーピング層37より深い基
板位置には第2および第1の2つのチャネル層35、3
3が設けられている。従って、電流チャネルを形成する
電子量は、第2および第1の各チャネル層35、33に
存在する不純物によって十分に確保され、各チャネル層
35、33を挟む電子輸送特性の優れた第2および第1
の各スペーサ層36、34にキャリアが存在する確率は
高くなっている。このため、本実施例によっても出力電
流は表面空乏層の影響を受けることなく十分に高く維持
される。また、ドーピング層37が表面空乏層によって
空乏化することにより、ゲート・ドレイン間の絶縁性は
低下せず、ドレイン耐圧は向上する。
In the FET according to the second embodiment, a surface depletion layer is generated due to the interface state of the substrate surface on the side of the drain electrode 42, and even if the surface depletion layer tries to extend to the deep portion of the substrate, The extension is blocked because the doping layer 37 is formed to have a predetermined impurity concentration and thickness as described above. In addition, at the substrate position deeper than the doping layer 37, the second and first channel layers 35, 3 are formed.
3 is provided. Therefore, the amount of electrons forming the current channel is sufficiently secured by the impurities present in the second and first channel layers 35 and 33, and the second and excellent electron transporting characteristics sandwiching the channel layers 35 and 33 are provided. First
The probability that carriers exist in each of the spacer layers 36 and 34 is high. Therefore, also in this embodiment, the output current is maintained sufficiently high without being affected by the surface depletion layer. Further, since the doping layer 37 is depleted by the surface depletion layer, the insulation property between the gate and the drain is not lowered, and the drain breakdown voltage is improved.

【0037】なお、上記各実施例の説明においては、半
導体基板1および31をGaAsによって形成したが、
これに限定されるものではなく、例えば、InPやIn
GaAs等の半導体基板でも良い。また、n型不純物と
してSiを用いたが、SeやS等であっても良い。この
ような材料を用いてFETを形成しても、上記各実施例
と同様な効果が奏される。
Although the semiconductor substrates 1 and 31 are made of GaAs in the description of the above embodiments,
For example, InP and In are not limited to this.
A semiconductor substrate such as GaAs may be used. Although Si is used as the n-type impurity, it may be Se, S, or the like. Even if the FET is formed by using such a material, the same effect as that of each of the above-described embodiments can be obtained.

【0038】また、上記実施例の説明においてはチャネ
ル層を構成する半導体層を2層形成した場合について説
明したが、層数はこれに限定されるものでなく、3層以
上形成されていてもよく、この場合においても上記実施
例と同様な効果が奏される。
In the above description of the embodiments, the case where two semiconductor layers forming the channel layer are formed has been described, but the number of layers is not limited to this, and three or more layers may be formed. Of course, also in this case, the same effect as that of the above-described embodiment can be obtained.

【0039】図7は本発明の第3の実施例によるFET
の構造を示す断面図であり、このFETは図8に示す工
程断面図に従って製造される。以下にこの製造方法につ
いて説明する。
FIG. 7 shows an FET according to the third embodiment of the present invention.
9 is a cross-sectional view showing the structure of FIG. 8, and this FET is manufactured according to the process cross-sectional view shown in FIG. This manufacturing method will be described below.

【0040】半絶縁性GaAs半導体基板51上に、M
BE(分子線エピタキシ)法やOMVPE(有機金属気
相エピタキシャル)法などの結晶成長技術を用いて以下
に述べる各半導体層が順次堆積させられる。まず、Ga
As半導体基板51上にGaAsバッファ層52が結晶
成長される(図8(a)参照)。このバッファ層52に
は1×1016[cm-3]程度にp型の不純物が含まれる
が、高くても1×1017[cm-3]以下の低い不純物濃度
に抑えられる。
On the semi-insulating GaAs semiconductor substrate 51, M
Each semiconductor layer described below is sequentially deposited using a crystal growth technique such as a BE (Molecular Beam Epitaxy) method or an OMVPE (Organic Metal Vapor Phase Epitaxial) method. First, Ga
The GaAs buffer layer 52 is crystal-grown on the As semiconductor substrate 51 (see FIG. 8A). The buffer layer 52 contains a p-type impurity in the order of 1 × 10 16 [cm −3 ] but can be suppressed to a low impurity concentration of 1 × 10 17 [cm −3 ] or less at the highest.

【0041】次に、バッファ層52上にSiドープGa
As層が結晶成長され、第1の半導体層としての第1の
チャネル層53が形成される。この第1のチャネル層5
3はn型不純物であるSiイオンを3〜5×1018[cm
-3]程度または1〜5×1018[cm-3]程度に高濃度に
含み、厚さは50〜100Åに薄層化される。引き続い
て、この第1のチャネル層53上にアンドープの中間濃
度層54が100〜500Å程度の厚さに結晶成長され
る(同図(b)参照)。この中間濃度層54はアンドー
プに形成されるため、不純物濃度はまだ極めて低くなっ
ている。
Next, Si-doped Ga is formed on the buffer layer 52.
The As layer is crystal-grown to form the first channel layer 53 as the first semiconductor layer. This first channel layer 5
3 is 3-5 × 10 18 [cm] of Si ions which are n-type impurities
-3 ] or 1 to 5 x 10 18 [cm -3 ] in a high concentration, and the thickness is reduced to 50 to 100Å. Subsequently, an undoped intermediate concentration layer 54 is crystal-grown to a thickness of about 100 to 500 Å on the first channel layer 53 (see FIG. 2B). Since the intermediate concentration layer 54 is formed undoped, the impurity concentration is still extremely low.

【0042】次に、この中間濃度層54上にSiドープ
GaAs層が結晶成長され、第2の半導体層としての第
2のチャネル層55が形成される。この第2のチャネル
層55はSi不純物を第1のチャネル層53と同程度に
高濃度に含み、また、その厚さも第1のチャネル層53
と同程度に薄層化される。続いて、この第2のチャネル
層55上にアンドープGaAs層が結晶成長され、キャ
ップ層56が形成される。このキャップ層56の不純物
濃度はバッファ層52と同程度に極めて低く設定される
(同図(c)参照)。
Next, a Si-doped GaAs layer is crystal-grown on the intermediate concentration layer 54 to form a second channel layer 55 as a second semiconductor layer. The second channel layer 55 contains Si impurities in a high concentration as high as that of the first channel layer 53, and the thickness thereof is also the first channel layer 53.
It is as thin as Then, an undoped GaAs layer is crystal-grown on the second channel layer 55 to form a cap layer 56. The impurity concentration of the cap layer 56 is set to be as low as that of the buffer layer 52 (see FIG. 7C).

【0043】次に、リソグラフィ技術を用いてソース・
ドレイン領域パターンが基板表面に形成され、このパタ
ーンをマスクとして高濃度のSiイオンが選択的にイオ
ン注入される。この選択イオン注入により、n+ 型のド
レイン領域58およびソース領域59が形成される。次
に、このような積層構造を持つエピタキシャルウエハに
800〜900℃で1〜10秒間のアニール処理が行わ
れる。その後、蒸着技術、リソグラフィ技術およびエッ
チング技術等を用いてゲート電極57が形成される(同
図(d)参照)。このゲート電極57はドレイン領域5
8から遠ざけられた位置に形成される。
Next, the source and
A drain region pattern is formed on the substrate surface, and high-concentration Si ions are selectively ion-implanted using this pattern as a mask. By this selective ion implantation, an n + type drain region 58 and a source region 59 are formed. Next, the epitaxial wafer having such a laminated structure is annealed at 800 to 900 ° C. for 1 to 10 seconds. After that, the gate electrode 57 is formed by using the vapor deposition technique, the lithography technique, the etching technique and the like (see FIG. 3D). The gate electrode 57 is the drain region 5
It is formed at a position away from 8.

【0044】最後に、同様な蒸着技術やリソグラフィ技
術等が用いられ、ドレイン領域58およびソース領域5
9にオーミック接触したドレイン電極60,ソース電極
61が形成される。この電極形成により、図7に示され
る構造のショットキ接触型FET(MESFET)が完
成されることになる。
Finally, the same vapor deposition technique or lithographic technique is used, and the drain region 58 and the source region 5 are
A drain electrode 60 and a source electrode 61 which are in ohmic contact with the electrode 9 are formed. By this electrode formation, the Schottky contact type FET (MESFET) having the structure shown in FIG. 7 is completed.

【0045】本実施例においては、各層52〜56を結
晶成長した後に上述したアニール処理が行われるため、
電流チャネルが形成されるゲート電極57下部の不純物
プロファイルは図9のグラフに示す構成になっている。
同グラフの横軸は基板表面からの深さd[オングストロ
ーム]を示し、縦軸はn型Si不純物の濃度ND [cm
-3]を示す。また、実線で示される不純物プロファイル
Aはアニール処理後のプロファイルを示し、点線で示さ
れる不純物プロファイルBはアニール処理前のプロファ
イルを示している。アニール前のプロファイルBにおい
てはパルス状に不純物濃度が高くなっており、基板表面
側のパルス状部分は高濃度に不純物を含む第2のチャネ
ル層55に相当し、基板の深い側のパルス状部分は同じ
く高濃度に不純物を含む第1のチャネル層53に相当し
ている。このような不純物プロファイルを持つ積層構造
にアニール処理が行われることにより、各チャネル層5
3,55に高濃度に含まれたSiイオンは、各チャネル
層53,55を挟むバッファ層52,中間濃度層54お
よびキャップ層56に拡散する。このため、ゲート電極
下の不純物プロファイル形状は、段階的なパルス状から
少しだれた山状になり、図示する不純物プロファイルA
になる。
In this embodiment, since the above-mentioned annealing treatment is performed after crystal growth of the layers 52 to 56,
The impurity profile below the gate electrode 57 where the current channel is formed has the configuration shown in the graph of FIG.
The horizontal axis of the graph represents the depth d [Angstrom] from the substrate surface, and the vertical axis represents the concentration N D [cm] of the n-type Si impurity.
-3 ]. Further, the impurity profile A shown by the solid line shows the profile after the annealing treatment, and the impurity profile B shown by the dotted line shows the profile before the annealing treatment. In the profile B before annealing, the pulse-shaped impurity concentration is high, and the pulse-shaped portion on the substrate surface side corresponds to the second channel layer 55 containing impurities in a high concentration, and the pulse-shaped portion on the deep side of the substrate. Also corresponds to the first channel layer 53 containing impurities at a high concentration. By performing annealing treatment on the laminated structure having such an impurity profile, each channel layer 5
Si ions contained in high concentration in 3, 55 diffuse into the buffer layer 52, the intermediate concentration layer 54, and the cap layer 56 sandwiching the channel layers 53, 55. Therefore, the impurity profile shape under the gate electrode becomes a mountain shape slightly deviated from the stepwise pulse shape, and the impurity profile A shown in the figure.
become.

【0046】すなわち、各チャネル層53,55に挟ま
れて形成されたアンドープ状態であった中間濃度層54
は、約1×1017[cm-3]程度の濃度の不純物を含むよ
うになる。この中間濃度層54の不純物濃度は、第1の
チャネル層53および第2のチャネル層55の不純物濃
度3〜5×1018[cm-3]または1〜5×1018[c
m-3]よりも低く設定される。また、各チャネル層5
3,55を最も外側で挟むバッファ層52およびキャッ
プ層56にも各チャネル層53,55に含まれていた不
純物が拡散し、この両最外層のチャネル層接触部分にも
各チャネル層53,55の不純物濃度よりも低い濃度の
不純物が含まれるようになる。
That is, the undoped intermediate-concentration layer 54 formed between the channel layers 53 and 55.
Will contain impurities at a concentration of about 1 × 10 17 [cm −3 ]. The impurity concentration of the intermediate concentration layer 54 is 3 to 5 × 10 18 [cm −3 ] or 1 to 5 × 10 18 [c 3 ] of the impurity concentration of the first channel layer 53 and the second channel layer 55.
m -3 ]. In addition, each channel layer 5
Impurities contained in the respective channel layers 53, 55 are diffused also into the buffer layer 52 and the cap layer 56 sandwiching the outermost layers 3, 55, and the respective channel layers 53, 55 are also in contact with the channel layers of these outermost layers. The impurities are contained at a concentration lower than the impurity concentration of.

【0047】従って、このような構造をした本実施例に
よるMESFETにおいては、各チャネル層53,55
を挟むバッファ層52,中間濃度層54およびキャップ
層56に低濃度に不純物が含まれるため、これら各層5
2,54,56に存在するSi不純物によってもチャネ
ル電子が生成される。従って、電流チャネルを形成する
電子は、低電界領域、つまり、ドレイン側に比べて低い
電界が形成されるソース側において、各チャネル層5
3,55を挟む各層52,54および56に分布する。
このため、チャネル電子は各チャネル層53,55より
も不純物濃度の低いこれら各層52,54および56を
も走行するようになり、不純物散乱を受ける影響は低減
する。この結果、ソース側の低電界領域における電子移
動度は向上する。
Therefore, in the MESFET according to this embodiment having such a structure, the channel layers 53 and 55 are formed.
Since the buffer layer 52, the intermediate concentration layer 54, and the cap layer 56 sandwiching the layer 5 contain impurities at a low concentration, each of these layers 5
Channel electrons are also generated by Si impurities existing at 2, 54 and 56. Therefore, the electrons that form the current channel are generated in each channel layer 5 in the low electric field region, that is, in the source side where the electric field lower than that in the drain side is formed.
It is distributed in each layer 52, 54 and 56 sandwiching 3, 55.
For this reason, the channel electrons also travel in these layers 52, 54 and 56, which have a lower impurity concentration than the channel layers 53 and 55, and the influence of impurity scattering is reduced. As a result, the electron mobility in the low electric field region on the source side is improved.

【0048】また、高電界が形成されるドレイン側にお
いては、各チャネル層53,55を走行する電子はこの
高電界からエネルギを得てより高いエネルギ準位に存在
するようになる。従って、チャネル電子は高濃度に不純
物を含む各チャネル層53,55から飛び出し、各チャ
ネル層53,55を挟む不純物濃度の低いバッファ層5
2,中間濃度層54およびキャップ層56を走行するよ
うになる。このため、ドレイン側の高電界領域において
も、チャネル電子が不純物散乱から受ける影響は少な
く、電子飽和速度は低下しない。
On the side of the drain where a high electric field is formed, the electrons traveling in the channel layers 53 and 55 obtain energy from the high electric field and are present in a higher energy level. Therefore, the channel electrons jump out from the channel layers 53 and 55 containing impurities at a high concentration, and the buffer layer 5 having a low impurity concentration sandwiching the channel layers 53 and 55.
2. Traveling through the intermediate concentration layer 54 and the cap layer 56. For this reason, even in the high electric field region on the drain side, the influence of channel scattering from the impurity scattering is small, and the electron saturation speed does not decrease.

【0049】従って、本実施例によるFETによれば、
ソース側からドレイン側のチャネル全体にわたって電子
移動度は高くなる。また、電子飽和速度も劣化しない。
このため、素子の高周波特性は向上する。また、FET
の相互コンダクタンスgm は一定のゲート電圧変化にわ
たって一定値に保持されるようになり、相互コンダクタ
ンスgm のゲート電圧変化に対する変化は平坦な特性を
示すようになる。
Therefore, according to the FET of this embodiment,
The electron mobility is high over the entire channel from the source side to the drain side. Also, the electron saturation speed does not deteriorate.
Therefore, the high frequency characteristics of the element are improved. In addition, FET
The transconductance g m of the above is maintained at a constant value over a constant change of the gate voltage, and the change of the mutual conductance g m with respect to the change of the gate voltage shows a flat characteristic.

【0050】また、上記第3の実施例の説明において
は、アニール処理により、各チャネル層53,55にあ
る不純物をアンドープ状態の半導体層に拡散させ、中間
濃度層54を形成したが、次のように中間濃度層54を
形成してもよい。つまり、半導体基板51上に堆積させ
る各半導体層を結晶成長する際に、原料に含ませる不純
物濃度を制御することによっても適度に不純物を含む中
間濃度層を形成することが可能である。また、バッファ
層およびキャップ層に相当する層に、上記実施例と同様
に適度に不純物を含ませて形成することも可能である。
このような製造方法および構造によっても上記実施例と
同様な効果が奏され、チャネル電子の移動度は高くな
り、また、電子飽和速度も高く維持される。
In the description of the third embodiment, the intermediate concentration layer 54 is formed by diffusing the impurities in the channel layers 53 and 55 into the undoped semiconductor layer by the annealing process. The intermediate concentration layer 54 may be formed as described above. That is, it is also possible to form an intermediate concentration layer containing an appropriate amount of impurities by controlling the concentration of impurities contained in the raw material when crystal-growing each semiconductor layer deposited on the semiconductor substrate 51. Further, it is also possible to form the layers corresponding to the buffer layer and the cap layer by appropriately containing impurities as in the above embodiment.
With such a manufacturing method and structure, the same effect as that of the above-described embodiment can be obtained, the mobility of channel electrons is increased, and the electron saturation speed is also maintained high.

【0051】なお、上記第3の実施例の説明において
は、半導体基板51をGaAsによって形成したが、こ
れに限定されるものではなく、例えば、InPやInG
aAs等の半導体基板でも良い。また、n型不純物とし
てSiを用いたが、SeやS等であっても良い。このよ
うな材料を用いてFETを形成しても、上記実施例と同
様な効果が奏される。
In the description of the third embodiment, the semiconductor substrate 51 is made of GaAs, but the invention is not limited to this. For example, InP or InG.
A semiconductor substrate such as aAs may be used. Although Si is used as the n-type impurity, it may be Se, S, or the like. Even if the FET is formed by using such a material, the same effect as that of the above-mentioned embodiment can be obtained.

【0052】また、上記各実施例の説明においては、ゲ
ート電極11,41,57がドレイン電極12,42,
60から遠ざけられて形成され、ゲート・ドレイン間の
耐圧特性が向上されたFETについて説明したが、これ
に限定されるものではない。すなわち、ゲート電極がド
レイン・ソース間の中央に形成された構造のFETや、
ゲート電極がリセスに形成された構造のFET等に上記
各実施例を適用してもよく、上記各実施例と同様な効果
が奏される。
In the description of each of the above embodiments, the gate electrodes 11, 41, 57 are the drain electrodes 12, 42,
Although the FET has been described in which it is formed away from 60 and the withstand voltage characteristic between the gate and the drain is improved, the present invention is not limited to this. That is, an FET having a structure in which the gate electrode is formed in the center between the drain and the source,
Each of the above embodiments may be applied to an FET or the like having a structure in which the gate electrode is formed in the recess, and the same effect as each of the above embodiments can be obtained.

【0053】[0053]

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、表
面空乏層の基板表面から深部へ向けての延びは、最も基
板表面側に位置する半導体層によって遮られる。または
チャネル層の上部に設けられたドーピング層によって遮
られる。また、最も基板表面側に位置する半導体層また
はドーピング層よりも深い半導体基板には複数の半導体
層が設けられている。このため、電流チャネルを形成す
る電子量は、チャネル層を構成するこれら複数の半導体
層によって十分に確保される。従って、出力電流は表面
空乏層の影響を受けることなく十分に高く維持され、高
出力で高速動作をするFETが提供される。
As described above, according to the present invention, the extension of the surface depletion layer from the substrate surface to the deep portion is blocked by the semiconductor layer located closest to the substrate surface. Alternatively, it is blocked by a doping layer provided on the channel layer. Further, a plurality of semiconductor layers are provided on the semiconductor substrate that is deeper than the semiconductor layer or the doping layer located closest to the substrate surface side. Therefore, the amount of electrons forming the current channel is sufficiently secured by the plurality of semiconductor layers forming the channel layer. Therefore, the output current is maintained sufficiently high without being affected by the surface depletion layer, and a high-output and high-speed operation FET is provided.

【0054】また、複数の半導体層間の中間濃度層には
低濃度に不純物が含まれているため、中間濃度層に存在
する不純物によってもチャネル電子が生成される。従っ
て、電流チャネルを形成する電子は、低電界領域におい
ても半導体層間の中間濃度層に分布し、チャネル形成す
る半導体層よりも不純物濃度の低い中間濃度層を走行す
るようになる。このため、低電界領域におけるチャネル
電子の移動度は高くなり、また、電子飽和速度も高く維
持され、素子の高周波特性は向上する。また、相互コン
ダクタンスgm も一定のゲート電圧変化にわたって一定
値が保持されるようになる。
Further, since the intermediate concentration layer between the plurality of semiconductor layers contains impurities at a low concentration, channel electrons are also generated by the impurities present in the intermediate concentration layer. Therefore, the electrons forming the current channel are distributed in the intermediate concentration layer between the semiconductor layers even in the low electric field region, and travel in the intermediate concentration layer having a lower impurity concentration than the semiconductor layer forming the channel. Therefore, the mobility of channel electrons in the low electric field region is high, the electron saturation speed is also kept high, and the high frequency characteristics of the device are improved. Further, the mutual conductance g m is also maintained at a constant value over a constant gate voltage change.

【0055】また、熱処理が加えられて中間濃度層が形
成される場合には、複数の各半導体層を最も外側で挟む
各層にも不純物が低濃度に含まれ、チャネル電子はこの
両最外層にも分布するようになる。従って、チャネル電
子は中間濃度層以外にも不純物濃度の低いこの両最外層
を走行するようになる。このため、低電界領域における
チャネル電子の移動度はさらに高まり、素子の高周波特
性はさらに向上する。
When heat treatment is applied to form the intermediate concentration layer, impurities are contained in a low concentration in each layer sandwiching the plurality of semiconductor layers on the outermost side, and channel electrons are contained in both outermost layers. Will also be distributed. Therefore, the channel electrons travel in both outermost layers having a low impurity concentration in addition to the intermediate concentration layer. Therefore, the mobility of channel electrons in the low electric field region is further increased, and the high frequency characteristics of the device are further improved.

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

【図1】本発明の第1の実施例によるFETの製造工程
を示す工程断面図である。
FIG. 1 is a process sectional view showing a manufacturing process of an FET according to a first embodiment of the present invention.

【図2】第1の実施例によるFETのゲート電極下の不
純物プロファイルを示すグラフである。
FIG. 2 is a graph showing an impurity profile under the gate electrode of the FET according to the first embodiment.

【図3】第1の実施例によるFETの有効性を示すため
にこれと比較される従来の単一チャネル構造のFETを
示す断面図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a conventional FET having a single channel structure, which is compared with the FET according to the first embodiment to show the effectiveness of the FET.

【図4】図1に示された第1の実施例によるFETの特
性を示すグラフである。
FIG. 4 is a graph showing characteristics of the FET according to the first embodiment shown in FIG.

【図5】図3に示された従来のFETの特性を示すグラ
フである。
FIG. 5 is a graph showing characteristics of the conventional FET shown in FIG.

【図6】本発明の第2の実施例によるFETの構造を示
す断面図である。
FIG. 6 is a sectional view showing a structure of an FET according to a second embodiment of the present invention.

【図7】本発明の第3の実施例によるFETの構造を示
す断面図である。
FIG. 7 is a sectional view showing the structure of an FET according to a third embodiment of the present invention.

【図8】図7に示された第3の実施例によるFETの製
造方法を示す工程断面図である。
FIG. 8 is a process cross-sectional view showing the method of manufacturing the FET according to the third embodiment shown in FIG.

【図9】第3の実施例によるFETのゲート電極下の不
純物プロファイルを示すグラフである。
FIG. 9 is a graph showing an impurity profile under the gate electrode of the FET according to the third embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1,31,51…半絶縁性GaAs半導体基板、2,3
2,52…バッファ層、3,33,53…第1のチャネ
ル層(半導体層)、4,34…第1のスペーサ層、5,
35,55…第2のチャネル層(半導体層)、6,36
…第2のスペーサ層、7…第3のチャネル層(半導体
層)、8,38,56…キャップ層、9,39,58…
ドレイン領域、10,40,59…ソース領域、11,
41,57…ゲート電極、12,42,60…ドレイン
電極、13,43,61…ソース電極、54…中間濃度
層。
1, 31, 51 ... Semi-insulating GaAs semiconductor substrate, 2, 3
2, 52 ... Buffer layer, 3, 33, 53 ... First channel layer (semiconductor layer), 4, 34 ... First spacer layer, 5,
35, 55 ... Second channel layer (semiconductor layer), 6, 36
... Second spacer layer, 7 ... Third channel layer (semiconductor layer), 8,38,56 ... Cap layer, 9,39,58 ...
Drain region, 10, 40, 59 ... Source region, 11,
41, 57 ... Gate electrode, 12, 42, 60 ... Drain electrode, 13, 43, 61 ... Source electrode, 54 ... Intermediate concentration layer.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中島 成 神奈川県横浜市栄区田谷町1番地 住友電 気工業株式会社横浜製作所内 (72)発明者 桑田 展周 神奈川県横浜市栄区田谷町1番地 住友電 気工業株式会社横浜製作所内 (72)発明者 乙部 健二 神奈川県横浜市栄区田谷町1番地 住友電 気工業株式会社横浜製作所内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Shigeru Nakajima 1 Taya-cho, Sakae-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Sumitomo Electric Industries, Ltd. Yokohama Works (72) Noboru Kuwata, No. 1 Taya-cho, Sakae-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Sumitomo Denki Kogyo Co., Ltd. Yokohama Works (72) Inventor Kenji Otobe 1 Taya-cho, Sakae-ku, Yokohama, Kanagawa Sumitomo Denki Kogyo Co., Ltd. Yokohama Works

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 不純物を高濃度に含んで薄層化された半
導体層をチャネル層とする電界効果トランジスタにおい
て、 前記チャネル層はアンドープ層を挟んで前記半導体層が
3層以上形成されて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 semiconductor layer thinned by containing impurities at a high concentration as a channel layer, wherein the channel layer is formed of three or more semiconductor layers with an undoped layer sandwiched therebetween. Field effect transistor characterized by.
【請求項2】 不純物を高濃度に含んで薄層化された半
導体層をチャネル層とする電界効果トランジスタにおい
て、 前記チャネル層はアンドープ層を挟んで前記半導体層が
複数形成され、これら半導体層のうち最も基板表面側に
位置する半導体層の上部にアンドープ層を挟んでドーピ
ング層が形成され、このドーピング層の不純物濃度およ
び厚さは、表面空乏層が前記チャネル層にまで広がらな
い所定の不純物濃度および所定の厚さに形成されている
ことを特徴とする電界効果トランジスタ。
2. A field effect transistor comprising a semiconductor layer thinned by containing impurities at a high concentration as a channel layer, wherein a plurality of said semiconductor layers are formed with an undoped layer sandwiched between said channel layers. A doping layer is formed on top of the semiconductor layer located closest to the substrate surface with an undoped layer in between, and the impurity concentration and thickness of this doping layer are determined so that the surface depletion layer does not spread to the channel layer. And a field effect transistor having a predetermined thickness.
【請求項3】 不純物を高濃度に含んで薄層化された半
導体層をチャネル層とする電界効果トランジスタにおい
て、 前記チャネル層を構成する前記半導体層は複数形成さ
れ、これら各半導体層間にはこれら各半導体層の不純物
濃度に比較して低濃度に不純物を含む中間濃度層が形成
されていることを特徴とする電界効果トランジスタ。
3. A field effect transistor having a channel layer of a semiconductor layer thinned by containing impurities at a high concentration, wherein a plurality of the semiconductor layers forming the channel layer are formed, and these semiconductor layers are provided between these semiconductor layers. A field-effect transistor characterized in that an intermediate concentration layer containing impurities at a lower concentration than that of each semiconductor layer is formed.
【請求項4】 前記中間濃度層は、前記チャネル層を構
成する前記各半導体層の不純物が熱処理によってアンド
ープ層に拡散して形成されていることを特徴とする請求
項3記載の電界効果トランジスタ。
4. The field effect transistor according to claim 3, wherein the intermediate concentration layer is formed by diffusing impurities of the respective semiconductor layers forming the channel layer into an undoped layer by heat treatment.
【請求項5】 前記中間濃度層は、不純物濃度が制御さ
れた結晶成長によって形成されていることを特徴とする
請求項3記載の電界効果トランジスタ。
5. The field effect transistor according to claim 3, wherein the intermediate concentration layer is formed by crystal growth with controlled impurity concentration.
【請求項6】 アンドープ層を形成する工程と、不純物
を高濃度に含んで薄層化された半導体層を前記アンドー
プ上に形成する工程と、前記アンドープ層を形成する前
記工程および前記半導体層を形成する前記工程を繰り返
して前記半導体層を複数設け前記チャネル層を形成する
工程と、これら工程の後に熱処理を行って前記各半導体
層に含まれる不純物を前記各アンドープ層に拡散させて
前記中間濃度層を形成する工程とを備え、請求項4記載
の電界効果トランジスタを製造することを特徴とする電
界効果トランジスタの製造方法。
6. A step of forming an undoped layer, a step of forming a thin semiconductor layer containing impurities at a high concentration on the undoped layer, a step of forming the undoped layer and the semiconductor layer Forming the channel layer by repeating the forming step to form a plurality of the semiconductor layers, and performing heat treatment after these steps to diffuse impurities contained in the semiconductor layers into the undoped layers to form the intermediate concentration. A method of manufacturing a field effect transistor, comprising: forming a layer; and manufacturing the field effect transistor according to claim 4.
【請求項7】 不純物を高濃度に含んで薄層化された半
導体層を形成する工程と、不純物濃度が制御された結晶
成長によって前記半導体層の不純物濃度に比較して低濃
度に不純物を含む中間濃度層を形成する工程と、前記半
導体層を形成する前記工程および前記中間濃度層を形成
する前記工程を繰り返して前記半導体層を複数設け前記
チャネル層を形成する工程とを備え、請求項5記載の電
界効果トランジスタを製造することを特徴とする電界効
果トランジスタの製造方法。
7. A step of forming a thin semiconductor layer containing a high concentration of impurities, and a low concentration of impurities as compared with the impurity concentration of the semiconductor layer by crystal growth with a controlled impurity concentration. 6. A step of forming an intermediate concentration layer, a step of forming the semiconductor layer and a step of forming the channel layer by repeating the step of forming the semiconductor layer and the step of forming the intermediate concentration layer, A method of manufacturing a field effect transistor, comprising manufacturing the field effect transistor according to claim 1.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005236287A (en) * 2004-02-17 2005-09-02 Emcore Corp Low doped layer for nitride-based semiconductor device
US6989553B2 (en) 2000-03-03 2006-01-24 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Semiconductor device having an active region of alternating layers
EP2367205A3 (en) * 2002-07-24 2012-03-28 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Vertical junction field effect transistors and methods of producing the same

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