JPH09283746A - 高電子移動度トランジスタ - Google Patents

高電子移動度トランジスタ

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JPH09283746A
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    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
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    • H01L29/7783—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 using III-V semiconductor material
    • H01L29/7785—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 using III-V semiconductor material with more than one donor layer

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Abstract

(57)【要約】 〔課題〕相互コンダクタンスに関する良好な特性と、低
い閾値電圧の実現が可能な高電子移動度トランジスタ
（ＨＥＭＴ）を提供する。 〔解決手段〕ほぼ均一な電子ガス層を形成するためのチ
ャネル層(4) の上下に高抵抗のワイドバンドギャップ層
(3,5) が形成されると共に、これら上下の高抵抗のワイ
ドバンドギャップ層(3,5) のそれぞれの内部にシリコン
プレーナ・ドーピング層(3a ,5a)が形成されることによ
り相互コンダクタンスに関する良好な特性を実現され、
さらに、上部の高抵抗のワイドバンドギャップ層(5) の
上部に低抵抗のワイドバンドギャップ層(5b)が形成され
ることにより低い閾値電圧が実現される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、高周波の増幅回路
などとして利用される高電子移動度トランジスタ(HEMT)
に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】高電子移動度のInGaAsによってチャネル
層を形成することにより、高周波特性の向上を実現した
高電子移動度トランジスタ(HEMT)が開発されている。こ
の高電子移動度トランジスタでは、高抵抗のAlGaAsから
成るワイドバンドギャップ層の中間に薄いInGaAsを形成
することによりダブルヘテロ構造のチャネル層を形成す
ると共に、上下のワイドバンドギャップ層のそれぞれの
内部に形成したシリコンプレーナ・ドーピング層からこ
のチャネル層内に比較的高濃度の電子を供給する構成と
なっている。
【０００３】本出願人が平成７年８月７日付けで出願し
た「電界効果トランジスタ」と題する特許出願（特願平
７ー２０１１４５号）によれば、上記チャネル層の厚み
を電子ガス層の厚さ方向への密度分布がほぼ均一となる
程度の小さな値に制限すると共に、上下のAlGaAs層を高
抵抗とすることにより、ゲート電圧に対する相互コンダ
クタンスの変化量が小さな高性能の高電子移動度トラン
ジスタの発明が開示されている。
【０００４】すなわち、チャネル層が厚くなると、この
チャンネル層内に形成される電子ガス層がヘテロ接合面
の近傍に局在する結果、表面からの深さ、従って、ゲー
ト電極からの距離が異なる二つの層に分離してしまう。
このようにゲート電極からの距離を異ならせて深さ方向
に分離した二つの電子ガス層のそれぞれについては、ゲ
ート電圧の影響の仕方が異なってくる。この結果、相互
コンダクタンスのゲート電圧依存性が大きくなるものと
考えられた。
【０００５】そこで、上記発明によれば、チャンネル内
に形成される電子ガス層の密度をほぼ均一と見做せる程
度の厚み、具体的には50Å乃至 150Åの厚みの範囲に制
限すると共に、このような薄いチャネル層に隣接する上
下のAlGaAs層の抵抗値を高い値に設定した。このように
チャネル層の上下のAlGaAsの抵抗値を高い値に設定した
のは、これを高くするほど、ゲート電圧の影響がチャネ
ル層を含む広い範囲に及ぶようになり、チャネル層の厚
みが実効的に減少したと同様の効果が奏されると考えた
からである。
【０００６】図２は、上記発明の高電子移動度トランジ
スタについて得られた電気特性の実験データである。こ
の電気特性は、ゲート電圧を一定値ずつ変化させた場合
のドレイン電圧とドレイン電流との関係を示している。
ゲート電圧の増加に対するドレイン電流の増加量もほぼ
均一化されており、相互コンダクタンスがゲート電圧に
よってあまり変化しないことが判る。
【０００７】図３は、上記発明の高電子移動度トランジ
スタの相互コンダクタンスとゲート電圧との関係を示す
特性図であり、縦軸は単位ゲート幅当たりの相互コンダ
クタンスｇｍであり、横軸はゲート電圧である。実線で
示された曲線Ａが本実施例の高電子移動度トランジスタ
のデータ、点線で示された曲線Ｂが従来の高電子移動度
トランジスタのデータ、一点鎖点で示された曲線Ｃが従
来の改良型高電子移動度トランジスタのデータである。
これらの実験結果から、上記本発明者の考察の正当性が
裏付けられた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】上記発明によれば、チ
ャネル内の電子ガスについて、チャネル層の厚みで決ま
る物理的な一体性と、隣接するAlGaAs層の高抵抗性によ
って決まる実効的な一体性とを備えさせることにより、
図２と図３に示したように、相互コンダクタンスに関す
る良好な特性が得られている。しかしながら、特性の改
良のためにチャネル層の上部のAlGaAs層を高抵抗にした
ため、ゲート電極の影響がチャネル層まで及びすぎてし
まい、この結果閾値電圧が負の小さな値になり過ぎると
いうと問題が生じた。従って、本発明の目的は、上述し
た相互コンダクタンスに関する良好な特性を保持したま
ま、より低い閾値の特性も実現できる高電子移動度トラ
ンジスタを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明の高電子移動度ト
ランジスタによれば、ほぼ均一な密度の電子ガス層を形
成するためのチャネル層の上下に高抵抗のワイドバンド
ギャップ層が形成されると共に、これら上下の高抵抗の
ワイドバンドギャップ層のそれぞれの内部にシリコンプ
レーナ・ドーピング層が形成されているダブルヘテロ構
造の高電子移動度トランジスタにおいて、上部の高抵抗
のワイドバンドギャップ層の上部に低抵抗のワイドバン
ドギャップ層が形成されている。
【００１０】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態によれば、低
抵抗層のワイドバンドギャップ層の不純物濃度は 3×10
17ｃｍー3〜１×1018ｃｍー3であり、厚みは40Å〜120 Å
である。本発明の他の実施の形態によれば、チャネル層
の厚みは、50Å乃至 150Åであり、上下の高抵抗のワイ
ドバンドギャップ層は、前記チャネル層を中心に対称に
形成されている。
【００１１】
【実施例】図１は、この発明の一実施例の高電子移動度
トランジスタの構造を示す模式断面図である。この高電
子移動度トランジスタは、半絶縁性のGaAs基板１の上に
超格子バッファ層２が形成され、その上に、AlGaAsのワ
イドバンドギャップ層３，５とInGaAsチャネル層４とか
ら成るダブルヘテロ構造が形成され、その上にＮ+コン
タクト層６が形成され、最後に、ソース電極７、ドレイ
ン電極８、ゲート電極９が形成されている。
【００１２】半絶縁性のGaAs基板１の上部に形成された
超格子構造のバッファ層２は、不要キャリアの漏れを防
止するためのものである。このバッファ層２上に形成さ
れる厚み330 Å程度のAlGaAsのワイドバンドギャップ層
３は、Alx Ga1-x As ( 0.2＜１＜0.3 ) から構成されて
いる。このAlGaAsのワイドバンドギャップ層３内のチャ
ネル層４とのヘテロ接合面から30Å離れた箇所に、面密
度2.5 ×1012 cm ー2のSiを不純物として含むシリコンプ
レーナ・ドーピング層３ａが形成されている。
【００１３】チャネル層４の厚みは、その上下に形成さ
れるAlGaAsのワイドバンドギャップ層３，５との間に形
成される各ヘテロ接合の近傍に局在することにより、互
いに分離しようとする傾向を示す電子ガスが、実質的に
一体となってゲート電圧の変化に追随できる程度の小さ
な値、具体的には 50 Å〜150 Åの範囲の小さな値に設
定されている。
【００１４】チャネル層４の上部に形成される厚み250
Åの上部のAlGaAsのワイドバンドギャップ層５について
も、その組成と電気抵抗値のいずれもが下部のワイドバ
ンドギャップ層３のそれぞれと同一の値に設定されてい
る。また、この上部のワイドバンドギャップ層５内に形
成されるシリコンプレーナ・ドーピング層５ａも、下部
のワイドバンドギャップ層３内に形成されるシリコンプ
レーナ・ドーピング層３ａと、チャネル層４からの距離
についてもドーピング量についても同一の値に設定され
ている。このように、この実施例の高電子移動度トラン
ジスタは、InGaAsチャネル層４を中心に上下に対称な構
造を呈している。
【００１５】さらに、本実施例の高電子移動度トランジ
スタでは、高抵抗のAlGaAsのワイドバンドギャップ層５
の上部に 3×1017cmー3〜１×1018cmー3 の濃度でSiがド
ーピングされた厚み80Åの低抵抗のAlGaAsワイドバンド
ギャップ層５ｂが形成されている。この低抵抗のAlGaAs
ワイドバンドギャップ層５ｂの上に、 5×1018cmー3の濃
度でSiがドーピングされた厚み500 Åの低抵抗のＮ+ Ga
Asコンタクト層６が形成されている。
【００１６】ゲート電極９の直下に低抵抗のAlGaAsのワ
イドバンドギャップ層５ｂが形成されたことにより、こ
のゲート電極９に印加される電圧が低い場合には、ゲー
ト電極の直下に形成される空乏層の拡大がこの高抵抗層
５ｂによって阻止される。すなわち、ゲート電極９の直
下に形成される空乏層は、低抵抗層５ｂを突き抜けて下
方の低抵抗のワイドバンドギャップ層５の内部までは拡
大せず、この高電子移動度トランジスタはノーマリーオ
ン状態となる。
【００１７】一方、低抵抗のAlGaAsのワイドバンドギャ
ップ層５ｂの厚みが80Å程度の薄い値に設定されている
ため、ゲート電極９に印加される電圧が多少変化する
と、その直下に形成される空乏層は、低抵抗のAlGaAsの
ワイドバンドギャップ層５ｂを突き抜けて高抵抗のワイ
ドバンドギャップ層５内に急速に拡大し、InGaAsチャネ
ル層４内の電子ガスの挙動に影響を及ぼし始める。
【００１８】ゲート電圧が一定値増減したことに伴う空
乏層の拡がり（より正確には、チャネル近傍の各箇所に
おける電位の変化量）の増減は、ワイドバンドギャップ
層５の抵抗値が大きくなるほど増加する。そして、単位
ゲート電圧当たりの空乏層の拡がりの増減の大きさがチ
ャネル層４の幅に対して大きくなるほど、すなわち、ゲ
ート電圧がチャネルに影響を及ぼし易くなり、チャネル
層４内の電子ガスの挙動の一体性の傾向が高まり、相互
コンダクタンスの特性が向上する。
【００１９】このように、InGaAsチャネル層４の厚みが
薄い値に設定されると共に、チャネル層４に隣接するAl
GaAsワイドバンドギャップ層３，５が高抵抗に設定され
ているため、チャネル４内の電子ガス層がこのチャネル
層の厚みで決まる物理的な一体性と、隣接するワイドバ
ンドギャップ層の高抵抗性で決まる実効的な一体性を有
しながら、ゲート電圧に追随し、この結果、相互コンダ
クタンスに関する良好な特性が得られる。
【００２０】特公平１ー56542 号公報などに代表される
従来技術によれば、上部のワイドバンドギャップ層につ
いてはその全体にわたって均一で中間的な抵抗値が設定
されてきた。これはこのワイドバンドギャップ層がチャ
ネル層内への電子の供給という使命を受け持つため、あ
まり高抵抗にはできなかったことによる。
【００２１】本発明によれば、チャネル層４内に電子を
供給するという機能は全てシリコンプレーナ・ドーピン
グ層３ａと５ａとに譲り、チャネル層４近傍のワイドバ
ンドギャップ層の内部についてはかなりの高抵抗を設定
すると共に、ゲート電極直下についてはかなり低抵抗の
かなり薄い層を形成している。すなわち、ノーマリーオ
フ／オンに関する調整は、低抵抗層のドーピング濃度や
厚みを調整することによって実現される。このように、
本発明によれば、相互コンダクタンスに関する特性の改
良と、閾値電圧の設定とがほぼ独立に行われる。
【００２２】以上、チャネル層の近傍のワイドバンドギ
ャップ層の抵抗を高くすると共に、チャネル層の厚みを
小さな値に制限する構成を例示した。しかしながら、チ
ャネル層の厚みをそのような範囲に限定することなく、
チャネル層近傍についてはワイドバンドギャップ層の抵
抗値を高くするだけでも、相互コンダクタンスの特性に
関する改良が図られる。
【００２３】また、ワイドバンドギャップ層としてAlGa
As層、ナローバンドギャップのチャネル層としてInGaAs
を使用する構成を例示したが、バンドギャップ（禁止
帯）の幅の広狭、あるいは電子親和力の大小に関して同
様の関係を有する任意の半導体結晶の組合せを採用でき
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の高電子移動度トランジスタ
の構造を模式的に示す模式断面図である。
【図２】本出願人の先願の発明に係わる高電子移動度ト
ランジスタの特性図。
【図３】本出願人の先願の発明に係わる高電子移動度ト
ランジスタの相互コンダクタンスのゲート電圧依存性を
示す特性図である。
【符号の説明】
１ GaAs基板 3,5 高抵抗AlGaAsワイドバンドギャップ層 4 InGaAsチャネル層 3a,5a シリコンプレーナ・ドーピング層 5b 低高抵抗AlGaAsワイドバンドギャップ層

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ほぼ均一な密度の電子ガス層を形成するた
    めのチャネル層の上下に高抵抗のワイドバンドギャップ
    層が形成されると共に、これら上下の高抵抗のワイドバ
    ンドギャップ層のそれぞれの内部にシリコンプレーナ・
    ドーピング層が形成されているダブルヘテロ構造の高電
    子移動度トランジスタにおいて、 前記上部の高抵抗のワイドバンドギャップ層の上部に低
    抵抗のワイドバンドギャップ層が形成されたことを特徴
    とする高電子移動度トランジスタ。
  2. 【請求項２】 請求項１において、 前記低抵抗層のワイドバンドギャップ層の不純物濃度は
    3×1017ｃｍー3〜１×1018ｃｍー3であり、厚みは40Å〜
    120 Åであることを特徴とする高電子移動度トランジス
    タ。
  3. 【請求項３】 請求項１又は２において、 前記チャネル層の厚みは、50Å乃至 150Åであることを
    特徴とする高電子移動度トランジスタ。
  4. 【請求項４】 請求項１乃至３のそれぞれにおいて、 前記上下の高抵抗のワイドバンドギャップ層は、前記チ
    ャネル層を中心に対称に形成されたことを特徴とする高
    電子移動度トランジスタ。
  5. 【請求項５】チャネル層の上下に高抵抗のワイドバンド
    ギャップ層が形成されると共に、これら上下の高抵抗の
    ワイドバンドギャップ層のそれぞれの内部にシリコンプ
    レーナ・ドーピング層が形成されているダブルヘテロ構
    造の高電子移動度トランジスタにおいて、 前記上部の高抵抗のワイドバンドギャップ層の上部に低
    抵抗のワイドバンドギャップ層が形成されたことを特徴
    とする高電子移動度トランジスタ。
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