JPH098283A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPH098283A
JPH098283A JP15945495A JP15945495A JPH098283A JP H098283 A JPH098283 A JP H098283A JP 15945495 A JP15945495 A JP 15945495A JP 15945495 A JP15945495 A JP 15945495A JP H098283 A JPH098283 A JP H098283A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 HEMTにおける高電流密度,高耐圧化を実
現しつつ、高周波特性を改善する。 【構成】 二段リセス構造をもつHEMTにおいて、ゲ
ート電極107に隣接した広いリセス111a真下のA
lGaAs層105の表面キャリア濃度をゲート電極1
07真下のAlGaAs層110のキャリア濃度と同
じ、或いはそれ以上とし、ゲート電極107が埋め込ま
れた狭いリセス111bの深さとゲート電極107に隣
接した広いリセス111a真下のAlGaAs層110
のキャリア濃度の平均値との積を1.6×1011cm-2
以上にすることにより、ドレイン電流の周波数応答性を
制御する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体装置、特に高周
波,高出力が得られる高移動度トランジスタ(HEM
T)に関する。
【0002】
【従来の技術】化合物FETは、従来のシリコンMOS
FETに比べ電子移動度が高く、高周波動作に適してい
るため近年広く使われてきた。しかし動作周波数をより
高くしようとすると、ゲート長を短くしていく必要があ
り、最近は加工精度が限界点に達し、現在では高移動度
が得られるHEMTが主流となってきている。
【0003】高出力のHEMTを実現するために主にエ
ピ構造の適正化が図られ、高電流密度化と合わせて、ゲ
ート・ドレイン間距離をある程度大きく取ることによ
り、高耐圧化を図っている。
【0004】またゲート電極脇の寄生抵抗の増大という
問題を除去するため、ゲート電極が接する部分を周辺よ
りも深くエッチングして、2段のエッチング形状を形成
する例が特開平5−251471号に示されている。
【0005】図4は、この従来技術によるHEMTの構
造であり、GaAs基板401にMOCVDにより、n
+GaAs/nAlxGa1-xAs/n+AlxGa1-xAs
/InyGa1-yAs/GaAsのヘテロ接合構造を積層
形成している。
【0006】ここで、402はGaAs層,403はI
yGa1-yAs層,404はn+AlxGa1-xAs層,
405はnAlxGa1-xAs層,406はn+GaAs
層,407はWSiによるゲート電極,408はAu/
Ni/AuGe合金によるソース電極,409はAuG
e/Ni/Au合金によるドレイン電極である。
【0007】ゲート電極407は寄生抵抗の増大を防ぐ
ため、広いリセス内でゲート形成部のAlGaAs表面
を自己整合的に良好なショットキーゲートを形成する目
的で極く浅い(数nm以下)狭いゲートリセスの二段リ
セス構造になっていた。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】このように高耐圧化を
図ったHEMTにおいて、DC特性としては高電流密
度,高耐圧化を実現しているにもかかわらず、期待する
高周波出力が得られないという問題点があった。実例と
してリセス寸法1μmの一段リセス構造,ゲート長0.
3μmの構造のものでゲート・ドレイン電圧を10Vか
ら15Vに上げると、最大ドレイン電流密度500m
A,周波数45GHzのとき、飽和出力は380mW/
mmから250mW/mmに大幅に低下する。
【0009】一段リセス構造のHEMTで高耐圧化する
と、高周波出力が大幅に低下する原因としてゲートラグ
(ドレイン電流の周波数応答)が考えられ、実際にパル
スの電圧電流特性を測定すると、パルス幅10μsec
のImaxがDCのImaxの60%以下であった。GaAs
MESFETではこうした大幅なゲートラグは見られ
ず、HEMT特有の現象である。この原因は、ゲート・
ドレイン間,AlGaAs層の表面準位によってキャリ
アがトラップされるためであり、半導体の表面がAlG
aAsであり、チャンネルが浅いことがHEMTのゲー
トラグを大きくしているものと考えられる。
【0010】本発明の目的は、HEMTにおいて高電流
密度,高耐圧化を実現しつつ高周波特性を改善した半導
体装置を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明に係る半導体装置は、二段リセス構造を有
し、電子移動度が高い半導体装置であって、二段リセス
構造は、ヘテロ接合構造の半導体層に広い開口をもって
凹状に形成された広いリセスと、前記広いリセス内に狭
い開口をもって凹状に形成された狭いリセスとからなる
ものであり、前記広いリセスの開口縁部には、ソース,
ドレイン電極が設けられ、前記狭いリセスにはゲート電
極が埋め込まれており、前記ゲート電極が埋め込まれた
狭いリセスの深さと、前記ゲート電極に隣接した広いリ
セス真下の半導体層におけるキャリア濃度の平均値との
積により、ドレイン電流の周波数応答性を制御したもの
である。
【0012】また前記ゲート電極に隣接した広いリセス
真下の半導体層の表面キャリア濃度は、ゲート電極真下
の半導体層のキャリア濃度と同じ、或いはそれ以上に設
定し、前記ゲート電極が埋め込まれた狭いリセスの深さ
と、前記ゲート電極に隣接した広いリセス真下の半導体
層におけるキャリア濃度の平均値との積を、1.6×1
11cm-2以上の条件に設定したものである。
【0013】また前記設定条件のうちリセスの深さを大
きくしたものである。
【0014】また前記設定条件のうちキャリア濃度を濃
くしたものである。
【0015】また前記半導体層上に不純物濃度が異なる
別の半導体層を積層して、リセスの深さ,キャリア濃度
を変化させたものである。
【0016】
【作用】ゲート電極が埋め込まれた狭いリセスの深さ
と、ゲート電極に隣接した広いリセス真下の半導体層に
おけるキャリア濃度の平均値との積により、ドレイン電
流の周波数応答性を制御する。
【0017】
【実施例】以下、本発明の実施例を図により説明する。
【0018】(実施例1)図1は本発明の実施例1を示
す断面図である。
【0019】図において本発明に係る半導体装置は、二
段リセス構造を有し、電子移動度が高い半導体装置を対
象としたものである。
【0020】前記二段リセス構造は、ヘテロ接合構造の
半導体層105に広い開口をもって凹状に形成された広
いリセス111aと、広いリセス111a内に狭い開口
をもって凹状に形成された狭いリセス111bとからな
っており、広いリセス111aの開口縁部にはソース1
08,ドレイン109の電極が設けられ、狭いリセス1
11bにはゲート電極107が埋め込まれている。
【0021】本発明は基本的には、ゲート電極107が
埋め込まれた狭いリセス111bの深さtと、ゲート電
極107に隣接した広いリセス111a真下の半導体層
110におけるキャリア濃度NDの平均値との積t・ND
により、ドレイン電流の周波数応答性を制御したもので
あり、詳細にはゲート電極107に隣接した広いリセス
111a真下の半導体層110の表面キャリア濃度は、
ゲート電極107真下の半導体層105のキャリア濃度
と同じ、或いはそれ以上に設定し、ゲート電極107が
埋め込まれた狭いリセス111bの深さtと、ゲート電
極107に隣接した広いリセス111a真下の半導体層
110におけるキャリア濃度NDの平均値との積t・ND
を、1.6×1011cm-2以上の条件に設定している。
【0022】次に本発明を具体例を用いて説明する。図
1において、GaAs基板にMOCVDにより、n+
aAs/nAlxGa1-xAs/n+AlxGa1-xAs/
InyGa1-yAs/GaAsのヘテロ接合構造が形成さ
れている。ここで、101は半絶縁GaAs基板,10
2はGaAs層,103はInyGa1-yAs層,104
はn+AlxGa1-xAs層,105はnAlxGa1-x
s層,106はn+GaAs層,108はAu/Ni/
AuGe合金によるソース電極,109はAu/Ni/
AuGe合金によるドレイン電極である。
【0023】nAlxGa1-xAs層(半導体層)105
の不純物濃度NDは1×1017cm- 3となっており、狭
いリセス111bの深さtは16nm以上の深さに形成
されている。
【0024】したがってゲート電極107が埋め込まれ
た狭いリセス111bの深さtと、ゲート電極107に
隣接した広いリセス111a真下のAlGaAs層11
0のキャリア濃度NDの平均値との積はND・t≧1.6
×1011cm-2の条件を満たしている。この実施例のパ
ルス電流はDC電流の90%以上となり、ゲートラグの
問題はほぼ解消できている。
【0025】図3は狭いリセス11bの深さtと、ゲー
ト電極107に隣接した広いリセス111a真下のAl
GaAs層(半導体層)110のキャリア濃度NDとの
積ND・tを変数として、パルス電流をDC電流の比す
なわちゲートラグを測定した図である。図3から明らか
なように実験した結果、変数ND・tが1.6×1011
cm-2のときゲートラグが90%となり、リセス111
bの深さtを大きくとるか、ゲート電極107に隣接し
たAlGaAs層110のキャリア濃度NDを濃くする
ことにより、更にゲートラグを改善できるのがわかる。
【0026】(実施例2)図2は本発明の実施例2を示
す断面図である。図2においてGaAs基板にMOCV
Dによりn+GaAs/n+AlxGa1-xAs/nAlx
Ga1 -xAs/n+AlxGa1-xAs/InyGa1-yAs
/GaAsのヘテロ接合構造が形成している。
【0027】本実施例が実施例1と異なる点は、nAl
xGa1-xAs層105上にn+AlxGa1-xAs層11
2を付加したことにあり、n+AlxGa1-xAs層(半
導体層)112の不純物濃度は1×1018cm-3,その
厚さは5nmであり、狭いリセス111bの深さは10
nmとなっている。したがってゲート電極107に隣接
した広いリセス111a真下のn+AlxGa1-xAs層
112の平均値ND2と、リセス11bの深さt2の積は
D2・t2=5.5×1011cm-2となっており、この
場合にはゲートラグはほぼ100%改善される。
【0028】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、ゲ
ート電極が埋め込まれた狭いリセスの深さと、ゲート電
極に隣接した広いリセス真下の半導体層におけるキャリ
ア濃度の平均値との差により、ドレイン電流の周波数応
答性を制御することができ、高電流密度,高耐圧化を実
現して高周波特性を改善することができる。
【0029】さらにゲート電極に隣接した広いリセス真
下の半導体層表面キャリア濃度をゲート電極真下の半導
体層のキャリア濃度と同じ、或いはそれ以上とし、かつ
ゲート電極が埋め込まれた狭いリセスの深さと、ゲート
電極に隣接した広いリセス真下の半導体層のキャリア濃
度の平均値との積を1.6×1011cm-2以上にするこ
とにより、ゲートラグの問題のないHEMTを得ること
ができ、高密度・電流化,高耐圧化を実現して高周波出
力を得ることができる。すなわちドレイン・ゲート電圧
を15Vにしても最大ドレイン電流密度500mA,周
波数45GHzのとき飽和出力は350mW/mmのも
のが得られ、高耐圧化しても出力をほとんど低下させる
ことがない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1を示す断面図である。
【図2】本発明による実施例2を示す断面図である。
【図3】広いリセス真下の半導体層の表面キャリア濃度
と狭いリセスの深さとの積に対応したドレイン電流の周
波数応答性を示す図である。
【図4】従来技術を示す断面図である。
【符号の説明】
101 GaAs基板 102 GaAs層 103 InyGa1-yAs層 104 n+AlxGa1-xAs層 105 nAlxGa1-xAs層 106 n+GaAs層 107 ゲート電極 108 ソース電極 109 ドレイン電極 110 n+AlxGa1-xAs層 111a 広いリセス 111b 狭いリセス 112 n+AlxGa1-xAs層

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 二段リセス構造を有し、電子移動度が高
    い半導体装置であって、 二段リセス構造は、ヘテロ接合構造の半導体層に広い開
    口をもって凹状に形成された広いリセスと、前記広いリ
    セス内に狭い開口をもって凹状に形成された狭いリセス
    とからなるものであり、 前記広いリセスの開口縁部には、ソース,ドレイン電極
    が設けられ、前記狭いリセスにはゲート電極が埋め込ま
    れており、 前記ゲート電極が埋め込まれた狭いリセスの深さと、前
    記ゲート電極に隣接した広いリセス真下の半導体層にお
    けるキャリア濃度の平均値との積により、ドレイン電流
    の周波数応答性を制御したものであることを特徴とする
    半導体装置。
  2. 【請求項2】 前記ゲート電極に隣接した広いリセス真
    下の半導体層の表面キャリア濃度は、ゲート電極真下の
    半導体層のキャリア濃度と同じ、或いはそれ以上に設定
    し、 前記ゲート電極が埋め込まれた狭いリセスの深さと、前
    記ゲート電極に隣接した広いリセス真下の半導体層にお
    けるキャリア濃度の平均値との積を、1.6×1011
    -2以上の条件に設定したものであることを特徴とする
    請求項1に記載の半導体装置。
  3. 【請求項3】 前記設定条件のうちリセスの深さを大き
    くしたものであることを特徴とする請求項2に記載の半
    導体装置。
  4. 【請求項4】 前記設定条件のうちキャリア濃度を濃く
    したものであることを特徴とする請求項2に記載の半導
    体装置。
  5. 【請求項5】 前記半導体層上に不純物濃度が異なる別
    の半導体層を積層して、リセスの深さ,キャリア濃度を
    変化させたものであることを特徴とする請求項2に記載
    の半導体装置。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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