JPH0697204A - ショットキ形電界効果トランジスタ - Google Patents
ショットキ形電界効果トランジスタInfo
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- JPH0697204A JPH0697204A JP17776893A JP17776893A JPH0697204A JP H0697204 A JPH0697204 A JP H0697204A JP 17776893 A JP17776893 A JP 17776893A JP 17776893 A JP17776893 A JP 17776893A JP H0697204 A JPH0697204 A JP H0697204A
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
- H01L29/76—Unipolar devices, e.g. field effect transistors
- H01L29/772—Field effect transistors
- H01L29/778—Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface
- H01L29/7782—Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface with confinement of carriers by at least two heterojunctions, e.g. DHHEMT, quantum well HEMT, DHMODFET
Abstract
(57)【要約】
【目的】 GaAsMESFETのゲート・ソース間電
圧に対するドレイン電流の非線形性を改善し、以て高周
波増幅器としての優れた低歪特性を実現する。 【構成】 伝導層としてのn−InGaAs層111を
バリア層としての2つのn−AlGaAs層110,1
12で挟んだ構造を有する半導体基体の表面に、ショッ
トキ・ゲート電極201、ソース・オーミック電極20
2及びドレイン・オーミック電極203を形成する。あ
る範囲のゲート・ソース間電圧Vgsに対して相互コン
ダクタンスgmが一定値を示す。
圧に対するドレイン電流の非線形性を改善し、以て高周
波増幅器としての優れた低歪特性を実現する。 【構成】 伝導層としてのn−InGaAs層111を
バリア層としての2つのn−AlGaAs層110,1
12で挟んだ構造を有する半導体基体の表面に、ショッ
トキ・ゲート電極201、ソース・オーミック電極20
2及びドレイン・オーミック電極203を形成する。あ
る範囲のゲート・ソース間電圧Vgsに対して相互コン
ダクタンスgmが一定値を示す。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ショットキ・バリア・
ゲートを有する金属−半導体電界効果トランジスタ、す
なわちショットキ形電界効果トランジスタに関するもの
である。
ゲートを有する金属−半導体電界効果トランジスタ、す
なわちショットキ形電界効果トランジスタに関するもの
である。
【0002】
【従来の技術】近年、放送のマルチチャネル化に伴い、
高周波受信装置の低歪化が強く望まれている。ところ
が、高周波特性に優れるGaAs等の化合物系半導体を
用いた従来の金属−半導体電界効果トランジスタ(ME
SFET)や、その一形態である高電子移動度トランジ
スタ(HEMT)では、高周波領域における歪特性(特
に2次歪)において十分な性能が得られていない。これ
は、2次歪に関してはゲート・ソース間電圧Vgsに対
するドレイン電流Idsの非線形性が、3次歪に関して
はドレイン・ソース間電圧Vdsに対するドレイン電流
Idsの非線形性がそれぞれ大きいことによる。
高周波受信装置の低歪化が強く望まれている。ところ
が、高周波特性に優れるGaAs等の化合物系半導体を
用いた従来の金属−半導体電界効果トランジスタ(ME
SFET)や、その一形態である高電子移動度トランジ
スタ(HEMT)では、高周波領域における歪特性(特
に2次歪)において十分な性能が得られていない。これ
は、2次歪に関してはゲート・ソース間電圧Vgsに対
するドレイン電流Idsの非線形性が、3次歪に関して
はドレイン・ソース間電圧Vdsに対するドレイン電流
Idsの非線形性がそれぞれ大きいことによる。
【0003】図5に従来のショットキ・ゲート形HEM
Tの断面図を示す。図5において、101はGaAs基
板、102はi−GaAs層、120はn−AlGaA
s層、201はショットキ・ゲート電極(以下、単にゲ
ート電極という。)、202はソース・オーミック電
極、203はドレイン・オーミック電極、301は2次
元電子ガスである。
Tの断面図を示す。図5において、101はGaAs基
板、102はi−GaAs層、120はn−AlGaA
s層、201はショットキ・ゲート電極(以下、単にゲ
ート電極という。)、202はソース・オーミック電
極、203はドレイン・オーミック電極、301は2次
元電子ガスである。
【0004】図6(a)に図5のHEMTのゲート電極
下のエネルギーバンド図を、図6(b)に同図(a)の
円で囲んだ部分の拡大図をそれぞれ示す。図6(a)に
おいて、Ec は伝導帯、Ef はフェルミレベル、Ev は
充満帯であり、ゲート金属側の“−”の印は界面準位
を、n−AlGaAs層中の“+”の印は空間電荷をそ
れぞれ表わす。
下のエネルギーバンド図を、図6(b)に同図(a)の
円で囲んだ部分の拡大図をそれぞれ示す。図6(a)に
おいて、Ec は伝導帯、Ef はフェルミレベル、Ev は
充満帯であり、ゲート金属側の“−”の印は界面準位
を、n−AlGaAs層中の“+”の印は空間電荷をそ
れぞれ表わす。
【0005】以上のように構成された従来のHEMTに
よれば、よく知られているように、n−AlGaAs層
120とi−GaAs層102とのヘテロ界面のバンド
不連続によりi−GaAs層102側に電子蓄積層(量
子井戸)が形成される結果(図6(a)参照)、伝導に
寄与する電子は該界面で2次元電子ガス301となって
いる。この電子が不純物密度の極めて小さいi−GaA
s層102内を移動するため、高い相互コンダクタンス
gmを得ることができる。しかも、ゲート電圧を変化さ
せることにより2次元電子ガス301の量を制御でき
る。
よれば、よく知られているように、n−AlGaAs層
120とi−GaAs層102とのヘテロ界面のバンド
不連続によりi−GaAs層102側に電子蓄積層(量
子井戸)が形成される結果(図6(a)参照)、伝導に
寄与する電子は該界面で2次元電子ガス301となって
いる。この電子が不純物密度の極めて小さいi−GaA
s層102内を移動するため、高い相互コンダクタンス
gmを得ることができる。しかも、ゲート電圧を変化さ
せることにより2次元電子ガス301の量を制御でき
る。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】ところが、上記従来の
HEMTにおける2次元電子ガス301の量は、ゲート
電圧に対して非線形に変化する。すなわち、図6(b)
において、フェルミレベルがEf(1)のとき、Ec はEf
(1)より完全に上側(電子エネルギーの高い側)にある
ため、電子蓄積層に自由電子は存在しない。次にゲート
電圧をプラス側に増加させたとき、フェルミレベルはE
f(2)に達してEc と交わる。この時のゲート電圧をしき
い値として、以後さらにゲート電圧をプラス側に増加さ
せた場合、例えばフェルミレベルがEf(3)のときには、
Ec のEf(3)より下側(電子エネルギーの低い側)に自
由電子が蓄積され、この自由電子が伝導に寄与する。ゲ
ート電圧をプラス側に増加させるにつれて蓄積される自
由電子の数は増えるが、その増加の仕方はi−GaAs
層界面のEc の形(“レ”の字形)によって決定され
る。このような電子蓄積量のゲート電圧に対する非線形
性により、ドレイン電流Idsは非線形性を示す。
HEMTにおける2次元電子ガス301の量は、ゲート
電圧に対して非線形に変化する。すなわち、図6(b)
において、フェルミレベルがEf(1)のとき、Ec はEf
(1)より完全に上側(電子エネルギーの高い側)にある
ため、電子蓄積層に自由電子は存在しない。次にゲート
電圧をプラス側に増加させたとき、フェルミレベルはE
f(2)に達してEc と交わる。この時のゲート電圧をしき
い値として、以後さらにゲート電圧をプラス側に増加さ
せた場合、例えばフェルミレベルがEf(3)のときには、
Ec のEf(3)より下側(電子エネルギーの低い側)に自
由電子が蓄積され、この自由電子が伝導に寄与する。ゲ
ート電圧をプラス側に増加させるにつれて蓄積される自
由電子の数は増えるが、その増加の仕方はi−GaAs
層界面のEc の形(“レ”の字形)によって決定され
る。このような電子蓄積量のゲート電圧に対する非線形
性により、ドレイン電流Idsは非線形性を示す。
【0007】図5のHEMTのgm−Vgs特性を図7
に示す。ゲート・ソース間電圧Vgsに対して、ドレイ
ン電流Idsの1次微分である相互コンダクタンスgm
が平坦になる領域はない。
に示す。ゲート・ソース間電圧Vgsに対して、ドレイ
ン電流Idsの1次微分である相互コンダクタンスgm
が平坦になる領域はない。
【0008】さて、前記高周波受信装置において狭帯域
伝送時に問題となる3次歪については、チャネルのスト
ライプ化によるドレインコンダクタンスの低減が検討さ
れている。しかしながら、広帯域伝送時に問題となるゲ
ート・ソース間電圧Vgsに対するドレイン電流Ids
の非線形性に起因した2次歪に関しては、上記のとおり
ほとんど対策がなされていないのが現状である。
伝送時に問題となる3次歪については、チャネルのスト
ライプ化によるドレインコンダクタンスの低減が検討さ
れている。しかしながら、広帯域伝送時に問題となるゲ
ート・ソース間電圧Vgsに対するドレイン電流Ids
の非線形性に起因した2次歪に関しては、上記のとおり
ほとんど対策がなされていないのが現状である。
【0009】本発明の目的は、MESFETのゲート・
ソース間電圧に対するドレイン電流の非線形性を改善
し、以て高周波増幅器としての優れた低歪特性を実現す
ることにある。
ソース間電圧に対するドレイン電流の非線形性を改善
し、以て高周波増幅器としての優れた低歪特性を実現す
ることにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明では、半導体基体の表面と各々オーム性接
触をなすようにソース電極及びドレイン電極が形成され
かつ該両電極の間において前記半導体基体の表面とショ
ットキ接触をなすようにゲート電極が形成されたショッ
トキ形電界効果トランジスタにおいて、前記半導体基体
の表面は、n型不純物がドーピングされたInGaAs
からなる伝導層を、各々n型不純物がドーピングされた
AlGaAsからなる2つのバリア層で挟んだ構造を有
することとした。
めに、本発明では、半導体基体の表面と各々オーム性接
触をなすようにソース電極及びドレイン電極が形成され
かつ該両電極の間において前記半導体基体の表面とショ
ットキ接触をなすようにゲート電極が形成されたショッ
トキ形電界効果トランジスタにおいて、前記半導体基体
の表面は、n型不純物がドーピングされたInGaAs
からなる伝導層を、各々n型不純物がドーピングされた
AlGaAsからなる2つのバリア層で挟んだ構造を有
することとした。
【0011】
【作用】本発明によれば、n−InGaAsからなる伝
導層とn−AlGaAsからなる両バリア層との各ヘテ
ロ界面でのバンド不連続により、伝導に寄与する電子が
伝導層中に蓄積される。この電子の量はゲート電圧を変
化させることにより制御でき、n−InGaAs伝導層
の伝導帯Ec の形(“U”字形)により、ゲート電圧に
従って線形に変化する。ある範囲のゲート・ソース間電
圧Vgsに対して相互コンダクタンスgmが一定値を示
すのである。
導層とn−AlGaAsからなる両バリア層との各ヘテ
ロ界面でのバンド不連続により、伝導に寄与する電子が
伝導層中に蓄積される。この電子の量はゲート電圧を変
化させることにより制御でき、n−InGaAs伝導層
の伝導帯Ec の形(“U”字形)により、ゲート電圧に
従って線形に変化する。ある範囲のゲート・ソース間電
圧Vgsに対して相互コンダクタンスgmが一定値を示
すのである。
【0012】
【実施例】図1に本発明の実施例に係るMESFETの
断面図を示す。図1において、101はGaAs基板、
102はi−GaAs層、110は第1のn−AlGa
As層、111はn−InGaAs層、112は第2の
n−AlGaAs層、201はショットキ・ゲート電極
(以下、単にゲート電極という。)、202はソース・
オーミック電極、203はドレイン・オーミック電極で
ある。各層の厚さは、i−GaAs層102が500n
m、第1のn−AlGaAs層110が10nm、n−
InGaAs層111が10nm、第2のn−AlGa
As層112が50nmである。チャネルを構成する3
層110〜112のドーピング量は、第1のn−AlG
aAs層110が7×1017cm-3、n−InGaAs
層111が7×1017cm-3、第2のn−AlGaAs
層112が1×1018cm-3である。
断面図を示す。図1において、101はGaAs基板、
102はi−GaAs層、110は第1のn−AlGa
As層、111はn−InGaAs層、112は第2の
n−AlGaAs層、201はショットキ・ゲート電極
(以下、単にゲート電極という。)、202はソース・
オーミック電極、203はドレイン・オーミック電極で
ある。各層の厚さは、i−GaAs層102が500n
m、第1のn−AlGaAs層110が10nm、n−
InGaAs層111が10nm、第2のn−AlGa
As層112が50nmである。チャネルを構成する3
層110〜112のドーピング量は、第1のn−AlG
aAs層110が7×1017cm-3、n−InGaAs
層111が7×1017cm-3、第2のn−AlGaAs
層112が1×1018cm-3である。
【0013】図2(a)に図1のMESFETのゲート
電極下に形成されるチャネルのエネルギーバンド図を、
図2(b)に同図(a)の円で囲んだ部分の拡大図をそ
れぞれ示す。図2(a)において、Ec は伝導帯、Ef
はフェルミレベル、Ev は充満帯であり、ゲート金属側
の“−”の印は界面準位を、n−AlGaAs層中の
“+”の印は空間電荷をそれぞれ表わす。
電極下に形成されるチャネルのエネルギーバンド図を、
図2(b)に同図(a)の円で囲んだ部分の拡大図をそ
れぞれ示す。図2(a)において、Ec は伝導帯、Ef
はフェルミレベル、Ev は充満帯であり、ゲート金属側
の“−”の印は界面準位を、n−AlGaAs層中の
“+”の印は空間電荷をそれぞれ表わす。
【0014】以上のように構成された2つのヘテロ接合
をチャネル中に備えた本実施例のダブルヘテロMESF
ETの動作を、ゲート電極下の部分を中心に説明する。
をチャネル中に備えた本実施例のダブルヘテロMESF
ETの動作を、ゲート電極下の部分を中心に説明する。
【0015】図1のMESFETのゲート電極下では、
伝導に寄与する電子はn−InGaAs層111に蓄積
され、電子蓄積層を形成する。この電子の量は、ゲート
電圧を変化させることにより制御でき、しかもゲート電
圧に従って線形に変化する。すなわち、図2(b)にお
いて、フェルミレベルがEf(1)のとき、Ec はEf(1)よ
り完全に上側(電子エネルギーの高い側)にあるため、
電子蓄積層に自由電子は存在しない。次にゲート電圧を
プラス側に増加させたとき、フェルミレベルはEf(2)に
達してEc と交わる。この時のゲート電圧をしきい値と
して、以後さらにゲート電圧をプラス側に増加させてゆ
くと、フェルミレベルがEf(3)までは非線形に増加する
が、それ以降は線形に増加する。例えばフェルミレベル
がEf(4)のときには、Ec のEf(4)より下側(電子エネ
ルギーの低い側)に自由電子が蓄積され、この自由電子
が伝導に寄与する。このようにゲート電圧をプラス側に
増加させるにつれて蓄積される自由電子の数は増える
が、その増加の仕方は前記従来のHEMTとは異なりフ
ェルミレベルの位置だけで決まるため、ゲート電圧に対
して線形となる。
伝導に寄与する電子はn−InGaAs層111に蓄積
され、電子蓄積層を形成する。この電子の量は、ゲート
電圧を変化させることにより制御でき、しかもゲート電
圧に従って線形に変化する。すなわち、図2(b)にお
いて、フェルミレベルがEf(1)のとき、Ec はEf(1)よ
り完全に上側(電子エネルギーの高い側)にあるため、
電子蓄積層に自由電子は存在しない。次にゲート電圧を
プラス側に増加させたとき、フェルミレベルはEf(2)に
達してEc と交わる。この時のゲート電圧をしきい値と
して、以後さらにゲート電圧をプラス側に増加させてゆ
くと、フェルミレベルがEf(3)までは非線形に増加する
が、それ以降は線形に増加する。例えばフェルミレベル
がEf(4)のときには、Ec のEf(4)より下側(電子エネ
ルギーの低い側)に自由電子が蓄積され、この自由電子
が伝導に寄与する。このようにゲート電圧をプラス側に
増加させるにつれて蓄積される自由電子の数は増える
が、その増加の仕方は前記従来のHEMTとは異なりフ
ェルミレベルの位置だけで決まるため、ゲート電圧に対
して線形となる。
【0016】図3に本発明の実施例に係るMESFET
のgm−Vgs特性を示す。同図より分かるように、本
実施例のMESFETでは、ゲート・ソース間電圧Vg
sが−0. 4Vから+0. 3Vの範囲で相互コンダクタ
ンスgmが平坦であり、ドレイン電流Idsが線形とな
る。
のgm−Vgs特性を示す。同図より分かるように、本
実施例のMESFETでは、ゲート・ソース間電圧Vg
sが−0. 4Vから+0. 3Vの範囲で相互コンダクタ
ンスgmが平坦であり、ドレイン電流Idsが線形とな
る。
【0017】また、本発明の実施例に係るMESFET
と従来のHEMTとの2次歪特性の比較を図4に示す。
図4において、横軸は入力電力(Pin)を、縦軸は出力
電力(Pout )及び2次相互変調積(IM2 )を各々表
わす。本実施例によれば、2次歪の目安である2次イン
ターセプトポイント(IP2 )において従来より約34
dB優れていることが分かる。
と従来のHEMTとの2次歪特性の比較を図4に示す。
図4において、横軸は入力電力(Pin)を、縦軸は出力
電力(Pout )及び2次相互変調積(IM2 )を各々表
わす。本実施例によれば、2次歪の目安である2次イン
ターセプトポイント(IP2 )において従来より約34
dB優れていることが分かる。
【0018】なお、以上に説明したMESFETではG
aAs基板を用いていたが、InP基板を用いることも
可能である。
aAs基板を用いていたが、InP基板を用いることも
可能である。
【0019】
【発明の効果】以上説明してきたとおり本発明によれ
ば、ソース電極、ドレイン電極及びゲート電極が形成さ
れる半導体基体の表面構造として、n−InGaAs層
を2つのn−AlGaAs層で挟んだ構造を採用したの
で、n−InGaAs層中の自由電子の数をゲート電圧
に対して線形に変化させることができる。これにより、
MESFETのゲート・ソース間電圧に対するドレイン
電流の非線形性が改善され、優れた低歪特性を有する高
周波増幅器を実現することができる。
ば、ソース電極、ドレイン電極及びゲート電極が形成さ
れる半導体基体の表面構造として、n−InGaAs層
を2つのn−AlGaAs層で挟んだ構造を採用したの
で、n−InGaAs層中の自由電子の数をゲート電圧
に対して線形に変化させることができる。これにより、
MESFETのゲート・ソース間電圧に対するドレイン
電流の非線形性が改善され、優れた低歪特性を有する高
周波増幅器を実現することができる。
【図1】本発明の実施例に係るMESFETの断面図で
ある。
ある。
【図2】図1のMESFETのゲート電極下のエネルギ
ーバンド図であって、(a)は全体図、(b)は同図
(a)の円内の拡大図である。
ーバンド図であって、(a)は全体図、(b)は同図
(a)の円内の拡大図である。
【図3】図1のMESFETのゲート・ソース間電圧V
gsと相互コンダクタンスgmとの関係を示す特性図で
ある。
gsと相互コンダクタンスgmとの関係を示す特性図で
ある。
【図4】図1のMESFETと従来のHEMTとの2次
歪特性の比較を示す特性図である。
歪特性の比較を示す特性図である。
【図5】従来のHEMTの断面図である。
【図6】図5のHEMTのゲート電極下のエネルギーバ
ンド図であって、(a)は全体図、(b)は同図(a)
の円内の拡大図である。
ンド図であって、(a)は全体図、(b)は同図(a)
の円内の拡大図である。
【図7】図5のHEMTのゲート・ソース間電圧Vgs
と相互コンダクタンスgmとの関係を示す特性図であ
る。
と相互コンダクタンスgmとの関係を示す特性図であ
る。
101 GaAs基板 102 i−GaAs層 110 第1のn−AlGaAs層(バリア層) 111 n−InGaAs層(伝導層) 112 第2のn−AlGaAs層(バリア層) 120 n−AlGaAs層 201 ショットキ・ゲート電極 202 ソース・オーミック電極 203 ドレイン・オーミック電極 301 2次元電子ガス
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 八木田 秀樹 神奈川県横浜市港北区綱島東4丁目3番1 号 松下通信工業株式会社内
Claims (1)
- 【請求項1】 半導体基体の表面と各々オーム性接触を
なすようにソース電極及びドレイン電極が形成され、か
つ該両電極の間において前記半導体基体の表面とショッ
トキ接触をなすようにゲート電極が形成されたショット
キ形電界効果トランジスタであって、 前記半導体基体の表面は、n型不純物がドーピングされ
たInGaAsからなる伝導層を、各々n型不純物がド
ーピングされたAlGaAsからなる2つのバリア層で
挟んだ構造を有することを特徴とするショットキ形電界
効果トランジスタ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP17776893A JPH0697204A (ja) | 1992-07-24 | 1993-07-19 | ショットキ形電界効果トランジスタ |
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP19735692 | 1992-07-24 | ||
JP4-197356 | 1992-07-24 | ||
JP17776893A JPH0697204A (ja) | 1992-07-24 | 1993-07-19 | ショットキ形電界効果トランジスタ |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0697204A true JPH0697204A (ja) | 1994-04-08 |
Family
ID=26498194
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP17776893A Pending JPH0697204A (ja) | 1992-07-24 | 1993-07-19 | ショットキ形電界効果トランジスタ |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0697204A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US9437725B2 (en) | 2013-11-13 | 2016-09-06 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Semiconductor device and semiconductor substrate |
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1993
- 1993-07-19 JP JP17776893A patent/JPH0697204A/ja active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US9437725B2 (en) | 2013-11-13 | 2016-09-06 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Semiconductor device and semiconductor substrate |
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