JPH0797633B2 - 電界効果トランジスタ - Google Patents
電界効果トランジスタInfo
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- JPH0797633B2 JPH0797633B2 JP59011259A JP1125984A JPH0797633B2 JP H0797633 B2 JPH0797633 B2 JP H0797633B2 JP 59011259 A JP59011259 A JP 59011259A JP 1125984 A JP1125984 A JP 1125984A JP H0797633 B2 JPH0797633 B2 JP H0797633B2
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Classifications
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a 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
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- H01L29/80—Field effect transistors with field effect produced by a PN or other rectifying junction gate, i.e. potential-jump barrier
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Description
【発明の詳細な説明】 （ａ） 発明の技術分野 本発明は半導体装置、特に２次元電子ガスによる高電子
移動度を有して電流容量が従来より増大された。高速度
かつ高出力の電界効果トランジスタに関する。
移動度を有して電流容量が従来より増大された。高速度
かつ高出力の電界効果トランジスタに関する。
（ｂ） 技術の背景 現在エレクトロニクスの主役となっているシリコン（S
i）半導体装置の限界を超える高速化、低消費電力化を
実現するために、キャリア特に電子の移動度がシリコン
より遥に大きいガリウム・砒素（GaAs）などの化合物半
導体を用いる半導体装置の開発が推進されている。
i）半導体装置の限界を超える高速化、低消費電力化を
実現するために、キャリア特に電子の移動度がシリコン
より遥に大きいガリウム・砒素（GaAs）などの化合物半
導体を用いる半導体装置の開発が推進されている。
化合物半導体を用いるトランジスタとしては、その製造
工程がバイポーラトランジスタより簡単であるなどの理
由によって電界効果トランジスタ（以下FETと略称す
る）の開発が先行しており、特に半絶縁性の化合物半導
体を基板に用いて浮遊容量を減少せしめたショットキー
バリア形FETが主流となっている。
工程がバイポーラトランジスタより簡単であるなどの理
由によって電界効果トランジスタ（以下FETと略称す
る）の開発が先行しており、特に半絶縁性の化合物半導
体を基板に用いて浮遊容量を減少せしめたショットキー
バリア形FETが主流となっている。
従来の構造のSiもしくはGaAs等の半導体装置において
は、キャリアは不純物イオンが存在している半導体空間
内を移動する。この移動に際してキャリアは格子振動お
よび不純物イオンによって散乱を受けるが、格子振動に
よる散乱の確率を小さくするために温度を低下させると
不純物イオンによる散乱の確率が大きくなり、キャリア
の移動度はこれによって制限される。
は、キャリアは不純物イオンが存在している半導体空間
内を移動する。この移動に際してキャリアは格子振動お
よび不純物イオンによって散乱を受けるが、格子振動に
よる散乱の確率を小さくするために温度を低下させると
不純物イオンによる散乱の確率が大きくなり、キャリア
の移動度はこれによって制限される。
この不純物散乱効果を排除するために、不純物が添加さ
れる領域とキャリアが移動する領域とをヘテロ接合界面
によって空間的に分離して、特に低温におけるキャリア
の移動度を増大せしめたヘテロ接合形電界効果トランジ
スタ（以下ヘテロ接合形FETと略称する）によって一層
の高速化が実現されている。
れる領域とキャリアが移動する領域とをヘテロ接合界面
によって空間的に分離して、特に低温におけるキャリア
の移動度を増大せしめたヘテロ接合形電界効果トランジ
スタ（以下ヘテロ接合形FETと略称する）によって一層
の高速化が実現されている。
（ｃ） 従来技術と問題点 前記ヘテロ接合形FETの従来の構造の１例を第１図
（ａ）に示す。半絶縁性GaAs基板１上に、ノンドープの
ｉ型GaAs層２と、これにより電子親和力の小さいｎ型砒
化アルミニウムガリウム（AlGaAs）層３と、ｎ型GaAs層
４とが設けられている。ｎ型のAlGaAs層３（電子供給層
という）からｉ型GaAs層２（チャネル層という）へ遷移
した電子によって両層のヘテロ接合界面近傍に生成され
る２次元電子ガス2Aがチャネルとして機能する。この２
次元電子ガス2Aの面濃度を制御するゲート電極５は、通
常ｎ型GaAs層４を選択的に除去したリセス構造によっ
て、ｎ型AlGaAs層３に接して設けられる。また６はソー
ス電極、７はドレイン電極である。なお前記ｎ型AlGaAs
層３のｉ型GaAs層２とのヘテロ接合界面近傍にドナー不
純物を導入しないスペーサ領域を設けて、２次元電子ガ
ス2Aに対する不純物イオン散乱効果を防止することがし
ばしば行なわれている。第１図（ｂ）は本従来例の伝導
帯のエネルギーダイヤグラムであり、第１図（ａ）と同
一符号により対応を示す。
（ａ）に示す。半絶縁性GaAs基板１上に、ノンドープの
ｉ型GaAs層２と、これにより電子親和力の小さいｎ型砒
化アルミニウムガリウム（AlGaAs）層３と、ｎ型GaAs層
４とが設けられている。ｎ型のAlGaAs層３（電子供給層
という）からｉ型GaAs層２（チャネル層という）へ遷移
した電子によって両層のヘテロ接合界面近傍に生成され
る２次元電子ガス2Aがチャネルとして機能する。この２
次元電子ガス2Aの面濃度を制御するゲート電極５は、通
常ｎ型GaAs層４を選択的に除去したリセス構造によっ
て、ｎ型AlGaAs層３に接して設けられる。また６はソー
ス電極、７はドレイン電極である。なお前記ｎ型AlGaAs
層３のｉ型GaAs層２とのヘテロ接合界面近傍にドナー不
純物を導入しないスペーサ領域を設けて、２次元電子ガ
ス2Aに対する不純物イオン散乱効果を防止することがし
ばしば行なわれている。第１図（ｂ）は本従来例の伝導
帯のエネルギーダイヤグラムであり、第１図（ａ）と同
一符号により対応を示す。
以上説明した如きｎ−AlGaAs/i−GaAsからなる従来のシ
ングルヘテロ構造のヘテロ接合形FETにおいては、２次
元電子ガス2Aの電子面濃度Nsに制限がある。すなわち２
次元電子ガス2A中では電子が状態密度が大きい領域で縮
退しているために、ｎ型AlGaAs層３のドナー不純物濃度
を増大させても、フェルミ準位の変化が小さくて２次元
電子ガス2Aの電子面濃度Nsが増加しない飽和傾向を示
す。この結果、前記従来例においては、温度77〔Ｋ〕に
おいて例えば２次元電子ガスの電子移動度μ＝５×104
〔cm2/V・Ｓ〕を得るためには、その面濃度Nsが６〜７
×1011〔cm-2〕程度以下に制限され、これより大電流動
作は期待しがたく、またオーミック接触抵抗、雑音指数
の低減などが困難である。
ングルヘテロ構造のヘテロ接合形FETにおいては、２次
元電子ガス2Aの電子面濃度Nsに制限がある。すなわち２
次元電子ガス2A中では電子が状態密度が大きい領域で縮
退しているために、ｎ型AlGaAs層３のドナー不純物濃度
を増大させても、フェルミ準位の変化が小さくて２次元
電子ガス2Aの電子面濃度Nsが増加しない飽和傾向を示
す。この結果、前記従来例においては、温度77〔Ｋ〕に
おいて例えば２次元電子ガスの電子移動度μ＝５×104
〔cm2/V・Ｓ〕を得るためには、その面濃度Nsが６〜７
×1011〔cm-2〕程度以下に制限され、これより大電流動
作は期待しがたく、またオーミック接触抵抗、雑音指数
の低減などが困難である。
電子面濃度の大きい２次元電子ガスが得られる構造とし
て例えば第２図に示す一様ドーピングヘテロ構造が既に
知られている。図において11はGaAs層、12はAlGaAs層で
あり、各層にドナー不純物が導入されている。本構造に
おいてはｎ型GaAs層11にこれを挾む２層のｎ型AlGaAs層
12から電子が遷移し、更にｎ型GaAs層11に導入されたド
ナー不純物からも電子が供給されて、ｎ型GaAs層11の厚
さが20〔nm〕程度以下である場合には、これらの電子が
混合された２次元電子ガス11Aが形成される。本構造に
よれば２次元電子ガスの面濃度は増大するが、この２次
元電子ガスは不純物が導入された半導体空間内にあるた
め不純物散乱が大きく電子移動度が低く、ヘテロ接合形
FETには適しない。
て例えば第２図に示す一様ドーピングヘテロ構造が既に
知られている。図において11はGaAs層、12はAlGaAs層で
あり、各層にドナー不純物が導入されている。本構造に
おいてはｎ型GaAs層11にこれを挾む２層のｎ型AlGaAs層
12から電子が遷移し、更にｎ型GaAs層11に導入されたド
ナー不純物からも電子が供給されて、ｎ型GaAs層11の厚
さが20〔nm〕程度以下である場合には、これらの電子が
混合された２次元電子ガス11Aが形成される。本構造に
よれば２次元電子ガスの面濃度は増大するが、この２次
元電子ガスは不純物が導入された半導体空間内にあるた
め不純物散乱が大きく電子移動度が低く、ヘテロ接合形
FETには適しない。
（ｄ） 発明の目的 本発明は以上説明した問題点に対処し、ヘテロ接合形FE
Tについてその電流容量が増大される構造を提供するこ
とを目的とする。
Tについてその電流容量が増大される構造を提供するこ
とを目的とする。
（ｅ） 発明の構成 本発明の前記目的は、半絶縁性化合物半導体層上に、第
１の化合物半導体材料よりなりドナー不純物を含む第１
の半導体層と、該第１の化合物半導体材料よりなり、ノ
ンドープであるか又は該第１の半導体層及び第３の半導
体層より低い濃度のドナー不純物を含み、該第１の半導
体層の上面に接する第２の半導体層と、該第１の化合物
半導体材料より電子親和力が小さい化合物半導体材料よ
りなり、ドナー不純物を含んで該第２の半導体層の上面
に接する第３の半導体層と、該第３の半導体層上面側に
設けられたソース電極、ドレイン電極ならびにその中間
の領域に設けられたゲート電極とを備え、該第３の半導
体層から該第２の半導体層に遷移する電子によって生成
される２次元電子ガス層と該第１の半導体層とをチャネ
ルとしたことを特徴とする電界効果トランジスタによっ
て達成される。
１の化合物半導体材料よりなりドナー不純物を含む第１
の半導体層と、該第１の化合物半導体材料よりなり、ノ
ンドープであるか又は該第１の半導体層及び第３の半導
体層より低い濃度のドナー不純物を含み、該第１の半導
体層の上面に接する第２の半導体層と、該第１の化合物
半導体材料より電子親和力が小さい化合物半導体材料よ
りなり、ドナー不純物を含んで該第２の半導体層の上面
に接する第３の半導体層と、該第３の半導体層上面側に
設けられたソース電極、ドレイン電極ならびにその中間
の領域に設けられたゲート電極とを備え、該第３の半導
体層から該第２の半導体層に遷移する電子によって生成
される２次元電子ガス層と該第１の半導体層とをチャネ
ルとしたことを特徴とする電界効果トランジスタによっ
て達成される。
本発明の構造のエネルギーバンド図の例を第３図に示
す。
す。
図において、20は半絶縁性基板又はノンドープのバッフ
ァ層である。21は前記第１の半導体層であってドナー不
純物が導入されており、例えばGaAsによって形成され
る。22は前記第２の半導体層であり第１の半導体層と組
成は同一であるが通常ノンドープのｉ型である。23は前
記第３の半導体層であり、スペーサ領域を除いてドナー
不純物が導入されている。第１及び第２の半導体層がGa
Asであるならばこの第３の半導体層はAlGaAsによって形
成される。
ァ層である。21は前記第１の半導体層であってドナー不
純物が導入されており、例えばGaAsによって形成され
る。22は前記第２の半導体層であり第１の半導体層と組
成は同一であるが通常ノンドープのｉ型である。23は前
記第３の半導体層であり、スペーサ領域を除いてドナー
不純物が導入されている。第１及び第２の半導体層がGa
Asであるならばこの第３の半導体層はAlGaAsによって形
成される。
ヘテロ接合界面に生ずるGaAs層22の伝導帯のポテンシャ
ル井戸内に閉じこめられて２次元電子ガス22Aが生成さ
れるが、ｎ型GaAs層21内の不純物によるクーロン散乱を
防止するために、２次元電子ガス22Aとｎ型GaAs層21と
の間の２次元電子ガスの波動関数が分布する範囲にノン
ドープのｉ型GaAs22が必要である。この距離は通常10
〔nm〕程度以上であればよい。
ル井戸内に閉じこめられて２次元電子ガス22Aが生成さ
れるが、ｎ型GaAs層21内の不純物によるクーロン散乱を
防止するために、２次元電子ガス22Aとｎ型GaAs層21と
の間の２次元電子ガスの波動関数が分布する範囲にノン
ドープのｉ型GaAs22が必要である。この距離は通常10
〔nm〕程度以上であればよい。
本半導体装置は２次元電子ガス22Aとｎ型GaAs層21内の
３次元電子との双方をチャネルとし、ゲートバイアス電
圧が浅いときには２次元、３次元の双方の電子によって
伝導が行なわれ、ゲートバイアス電圧を深くすれば２次
元電子ガス22Aが先にピンチオフする。
３次元電子との双方をチャネルとし、ゲートバイアス電
圧が浅いときには２次元、３次元の双方の電子によって
伝導が行なわれ、ゲートバイアス電圧を深くすれば２次
元電子ガス22Aが先にピンチオフする。
（ｆ） 発明の実施例 以下本発明を実施例により更に具体的に説明する。
第４図（ａ）は本発明の実施例を示す断面図、同図
（ｂ）はそのエネルギーバンド図である。本実施例の半
導体基体は半絶縁性GaAs基板30上に、例えば分子線エピ
タキシャル成長方法或いは有機金属熱分解気相成長方法
によって成長した下記の半導体層が設けられている。た
だし下記表中、組成比Ｘが０はGaAs、0.3はAl0.3Ga0.7A
s、０〜0.3はGaAs層とAl0.3Ga0.7As層との間を連続的に
つなぐ様に組成比が変化するAlGaAs層を示し、各数値は
１例を示す。
（ｂ）はそのエネルギーバンド図である。本実施例の半
導体基体は半絶縁性GaAs基板30上に、例えば分子線エピ
タキシャル成長方法或いは有機金属熱分解気相成長方法
によって成長した下記の半導体層が設けられている。た
だし下記表中、組成比Ｘが０はGaAs、0.3はAl0.3Ga0.7A
s、０〜0.3はGaAs層とAl0.3Ga0.7As層との間を連続的に
つなぐ様に組成比が変化するAlGaAs層を示し、各数値は
１例を示す。
ノンドープのｉ型GaAs層33に２次元電子ガス33Aが生成
されている。またｎ型GaAs層32は不純物を含むチャネル
層であるが、この層の不純物濃度はｎ型Al0.3Ga0.7As電
子供給層35等より不純物濃度を低くしてこれによる電子
のクーロン散乱を抑制している。
されている。またｎ型GaAs層32は不純物を含むチャネル
層であるが、この層の不純物濃度はｎ型Al0.3Ga0.7As電
子供給層35等より不純物濃度を低くしてこれによる電子
のクーロン散乱を抑制している。
この半導体基体のｎ型GaAs層37に深さ60〔nm〕程度のリ
セスを形成して、ゲート長約１〔μｍ〕ゲート幅約600
〔μｍ〕のゲート電極38をアルミニウム（Al）を用いて
配設している。またソース電極39及びドレイン電極40は
金ゲルマニウム／金（AuGe/Au）を用いてｎ型GaAs層37
上に配設している。
セスを形成して、ゲート長約１〔μｍ〕ゲート幅約600
〔μｍ〕のゲート電極38をアルミニウム（Al）を用いて
配設している。またソース電極39及びドレイン電極40は
金ゲルマニウム／金（AuGe/Au）を用いてｎ型GaAs層37
上に配設している。
本実施例において電子面濃度Ns≒1.2×1012〔cm-2〕と
前記従来例の約２倍になり、電流容量もほぼ２倍となっ
ている。
前記従来例の約２倍になり、電流容量もほぼ２倍となっ
ている。
以上の説明はヘテロ接合形FETの本来の構成として、２
次元電子ガスが生成されるチャネル層をノンドープのｉ
型としている。しかしながら２次元電子ガスが生成され
るチャネル層、前記実施例のGaAs層33に僅かにドナー不
純物を導入することによって電子移動度をさほど低下す
ることなく電子面濃度を増大することもできる。
次元電子ガスが生成されるチャネル層をノンドープのｉ
型としている。しかしながら２次元電子ガスが生成され
るチャネル層、前記実施例のGaAs層33に僅かにドナー不
純物を導入することによって電子移動度をさほど低下す
ることなく電子面濃度を増大することもできる。
例えば前記実施例のスペーサ層34及び２次元電子による
チャネル層33を下記の如く変更する。
チャネル層33を下記の如く変更する。
この様に不純物を低濃度にチャネル層等に導入した実施
例においては、電子面濃度及び電流容量が前記実施例に
比較してほぼ10％程度増大している。
例においては、電子面濃度及び電流容量が前記実施例に
比較してほぼ10％程度増大している。
以上説明した如く本発明の構造によって、従来のヘテロ
接合形FETの限界をこえて電子面濃度及び電流容量を増
大することができ、平均的な電子移動度の低下も僅かで
ある。また本発明の半導体装置は従来のショットキーバ
リア形FETに比較して平均的な電子移動度が高く、かつ
２次元電子ガスの効果によってトランスコンダクタンス
gmの増大、ゲート電圧に対するドレイン電流の直線性の
改善がもたらされる。
接合形FETの限界をこえて電子面濃度及び電流容量を増
大することができ、平均的な電子移動度の低下も僅かで
ある。また本発明の半導体装置は従来のショットキーバ
リア形FETに比較して平均的な電子移動度が高く、かつ
２次元電子ガスの効果によってトランスコンダクタンス
gmの増大、ゲート電圧に対するドレイン電流の直線性の
改善がもたらされる。
以上の説明はGaAs/AlGaAsを用いて本発明の半導体装置
を構成しているが、例えばAl0.47In0.52As/Al0.48In
0.52Asなど他の化合物半導体を用いても本発明の半導体
装置を実現することができる。
を構成しているが、例えばAl0.47In0.52As/Al0.48In
0.52Asなど他の化合物半導体を用いても本発明の半導体
装置を実現することができる。
（ｇ） 発明の効果 以上説明した如く本発明によれば、良好な電子移動度と
大きい電流容量とが実現され、高速度で高出力の半導体
装置を提供することができる。
大きい電流容量とが実現され、高速度で高出力の半導体
装置を提供することができる。
第１図（ａ）は従来のヘテロ接合形FETの断面図、同図
（ｂ）はそのエネルギーバンド図、第２図は従来の試み
を説明するエネルギーバンド図、第３図は本発明を説明
するエネルギーバンド図、第４図（ａ）は本発明の実施
例の断面図、同図（ｂ）はそのエネルギーバンド図であ
る。 図において、20は半絶縁性GaAs基板又はノンドープのGa
Asバッファ層、21はｎ型GaAs層、22はノンドープのGaAs
層、22Aは２次元電子ガス、23はノンドープ領域を含む
ｎ型AlGaAs層、30は半絶縁性GaAs基板、31及び33はノン
ドープのGaAs層、32及び37はｎ型GaAs層、34はノンドー
プのAl0.3Ga0.7As層、35はｎ型Al0.3Ga0.7As層、36はｎ
型AlxGa1−xAs（０≦ｘ≦0.3）層、38はゲート電極、39
はソース電極、40はドレイン電極を示す。
（ｂ）はそのエネルギーバンド図、第２図は従来の試み
を説明するエネルギーバンド図、第３図は本発明を説明
するエネルギーバンド図、第４図（ａ）は本発明の実施
例の断面図、同図（ｂ）はそのエネルギーバンド図であ
る。 図において、20は半絶縁性GaAs基板又はノンドープのGa
Asバッファ層、21はｎ型GaAs層、22はノンドープのGaAs
層、22Aは２次元電子ガス、23はノンドープ領域を含む
ｎ型AlGaAs層、30は半絶縁性GaAs基板、31及び33はノン
ドープのGaAs層、32及び37はｎ型GaAs層、34はノンドー
プのAl0.3Ga0.7As層、35はｎ型Al0.3Ga0.7As層、36はｎ
型AlxGa1−xAs（０≦ｘ≦0.3）層、38はゲート電極、39
はソース電極、40はドレイン電極を示す。
Claims (1)
- 【請求項１】半絶縁性化合物半導体層上に、第１の化合
物半導体材料よりなりドナー不純物を含む第１の半導体
層と、該第１の化合物半導体材料よりなり、ノンドープ
であるか又は該第１の半導体層及び第３の半導体層より
低い濃度のドナー不純物を含み、該第１の半導体層の上
面に接する第２の半導体層と、該第１の化合物半導体材
料より電子親和力が小さい化合物半導体材料よりなり、
ドナー不純物を含んで該第２の半導体層の上面に接する
第３の半導体層と、該第３の半導体層上面側に設けられ
たソース電極、ドレイン電極ならびにその中間の領域に
設けられたゲート電極とを備え、該第３の半導体層から
該第２の半導体層に遷移する電子によって生成される２
次元電子ガス層と該第１の半導体層とをチャネルとした
ことを特徴とする電界効果トランジスタ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59011259A JPH0797633B2 (ja) | 1984-01-25 | 1984-01-25 | 電界効果トランジスタ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59011259A JPH0797633B2 (ja) | 1984-01-25 | 1984-01-25 | 電界効果トランジスタ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60154675A JPS60154675A (ja) | 1985-08-14 |
| JPH0797633B2 true JPH0797633B2 (ja) | 1995-10-18 |
Family
ID=11772940
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59011259A Expired - Lifetime JPH0797633B2 (ja) | 1984-01-25 | 1984-01-25 | 電界効果トランジスタ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0797633B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH01107578A (ja) * | 1987-09-25 | 1989-04-25 | Siemens Ag | 高電子移動度電界効果トランジスタ |
| JPH0817232B2 (ja) * | 1992-12-21 | 1996-02-21 | 日本電気株式会社 | ヘテロ接合電界効果トランジスタ |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS58107678A (ja) * | 1981-12-21 | 1983-06-27 | Fujitsu Ltd | 半導体装置 |
-
1984
- 1984-01-25 JP JP59011259A patent/JPH0797633B2/ja not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS58107678A (ja) * | 1981-12-21 | 1983-06-27 | Fujitsu Ltd | 半導体装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS60154675A (ja) | 1985-08-14 |
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