JPH10107260A - Semiconductor element - Google Patents

Semiconductor element

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JPH10107260A
JPH10107260A JP25636196A JP25636196A JPH10107260A JP H10107260 A JPH10107260 A JP H10107260A JP 25636196 A JP25636196 A JP 25636196A JP 25636196 A JP25636196 A JP 25636196A JP H10107260 A JPH10107260 A JP H10107260A
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JP
Japan
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layer
semiconductor layer
semiconductor
doped
gaas
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Application number
JP25636196A
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Japanese (ja)
Inventor
Daijiro Inoue
大二朗 井上
Shigeharu Matsushita
重治 松下
Koji Matsumura
浩二 松村
Shigeyoshi Fujii
栄美 藤井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sanyo Electric Co Ltd
Original Assignee
Sanyo Electric Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor element wherein a deterioration of reproducibility and uniformity of element characteristics by heat-treatment is suppressed, and a deterioration in element characteristics is also suppressed. SOLUTION: A non-drop GaAs layer 6 is provided between an n-type GaAs layer 5 and a non-dope AlGaAs layer 7, and a film thickness of the non-dope GaAs layer 6 is set so that electronic concentration in a hetero-junction interface between AlGaAs and GaAs is almost 1×10<16> cm<-3> or less. Thereby, a generation of cavity by heating is suppressed, and diffusion of dopant in the n-type GaAs layer 5 and mutual diffusion of structure elements in the heterojunction interface are suppressed.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、ヘテロ接合を有す
る半導体素子に関する。
The present invention relates to a semiconductor device having a heterojunction.

【0002】[0002]

【従来の技術】砒化ガリウム(GaAs)を始めとする
III −V族化合物半導体は、その中を走行する電子の高
速性のため通信用などの高周波トランジスタの材料とし
て広く使用されている。特に、2種の化合物半導体から
なるヘテロ接合を有する半導体素子は、単一の化合物半
導体を有する半導体素子に比べて半導体層の設計の自由
度が極めて大きいことから、ミリ波帯用や高出力用など
の種々の用途に適用されている。
2. Description of the Related Art Gallium arsenide (GaAs) and others
III-V compound semiconductors are widely used as materials for high-frequency transistors for communication and the like due to the high speed of electrons traveling through them. In particular, a semiconductor element having a heterojunction composed of two kinds of compound semiconductors has a much greater degree of freedom in designing a semiconductor layer than a semiconductor element having a single compound semiconductor. And so on.

【0003】通常、このようなヘテロ接合を有する半導
体素子の半導体層の作製には、分子線エピタキシャル成
長法(MBE法)、有機金属気相成長法(MOVPE
法)等のエピタキシャル成長技術が用いられており、急
峻なヘテロ界面や急峻なドーピングプロファイル(不純
物の分布形状)が実現されている。
Usually, a semiconductor layer of a semiconductor device having such a heterojunction is manufactured by a molecular beam epitaxy (MBE) or a metal organic chemical vapor deposition (MOVPE).
Method) or the like, and a steep hetero interface and a steep doping profile (impurity distribution shape) are realized.

【0004】図5は化合物半導体を用いた従来の電界効
果トランジスタ用エピタキシャル成長基板の構造を示す
模式的断面図であり、図6は図5のエピタキシャル成長
基板を用いた従来の電界効果トランジスタの模式的断面
図である。
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a conventional epitaxial growth substrate for a field effect transistor using a compound semiconductor, and FIG. 6 is a schematic cross section of the conventional field effect transistor using the epitaxial growth substrate of FIG. FIG.

【0005】図5において、半絶縁性GaAs基板21
上に、ノンドープGaAsバッファ層22、n型GaA
sチャネル層23およびノンドープAlGaAs障壁層
24がエピタキシャル成長(成長温度500℃)により
順次形成されている。n型GaAsチャネル層23は電
子が走行する層であるため、このエピタキシャル成長基
板を例えば高出力用のトランジスタに用いた場合には、
電流を多く流せるようにn型GaAsチャネル層23の
キャリア濃度を例えば1×1018cm-3と高くする必要
がある。ノンドープAlGaAs障壁層24は後述する
ようにゲート電極がショットキ接触する層であり、ゲー
ト電極への漏洩電流を抑制するために設けられている。
In FIG. 5, a semi-insulating GaAs substrate 21
On top, a non-doped GaAs buffer layer 22 and n-type GaAs
The s channel layer 23 and the non-doped AlGaAs barrier layer 24 are sequentially formed by epitaxial growth (at a growth temperature of 500 ° C.). Since the n-type GaAs channel layer 23 is a layer through which electrons travel, when this epitaxial growth substrate is used for a high-output transistor, for example,
It is necessary to increase the carrier concentration of the n-type GaAs channel layer 23 to, for example, 1 × 10 18 cm −3 so that a large amount of current can flow. The non-doped AlGaAs barrier layer 24 is a layer with which the gate electrode makes Schottky contact as described later, and is provided to suppress leakage current to the gate electrode.

【0006】図6において、ノンドープAlGaAs障
壁層24上の中央部にはそのAlGaAs障壁層24と
ショットキ接触するゲート電極28が形成され、ゲート
電極28の両側にAlGaAs障壁層24とオーミック
接触するソース電極26およびドレイン電極27がそれ
ぞれ形成されている。
In FIG. 6, a gate electrode 28 is formed at the center of the non-doped AlGaAs barrier layer 24 so as to make Schottky contact with the AlGaAs barrier layer 24. On both sides of the gate electrode 28, a source electrode which makes ohmic contact with the AlGaAs barrier layer 24 is formed. 26 and a drain electrode 27 are formed respectively.

【0007】図6の電界効果トランジスタはプレーナ構
造を有するため生産性に優れている。このようなプレー
ナ構造の電界効果トランジスタを作製する場合には、ソ
ース電極26およびドレイン電極27とAlGaAs障
壁層24との接触抵抗を下げて良好な素子特性を得るた
めに、ソース電極26およびドレイン電極27直下にイ
オン注入法によりn型高導電領域25a,25bを形成
する必要がある。そのイオン注入工程では、注入イオン
を活性化し、イオン注入により損傷を受けた半導体層の
結晶性を回復させるために、例えば800℃以上の温度
で熱処理が行われる。
The field-effect transistor of FIG. 6 has a planar structure and thus has excellent productivity. When fabricating such a field-effect transistor having a planar structure, the source electrode 26 and the drain electrode 27 are formed in order to reduce the contact resistance between the source electrode 26 and the drain electrode 27 and the AlGaAs barrier layer 24 and obtain good device characteristics. It is necessary to form the n-type high conductive regions 25a and 25b immediately below the region 27 by an ion implantation method. In the ion implantation step, a heat treatment is performed at a temperature of, for example, 800 ° C. or higher in order to activate the implanted ions and restore the crystallinity of the semiconductor layer damaged by the ion implantation.

【0008】図6の電界効果トランジスタでは、ソース
電極26とドレイン電極27との間に電圧を印加する
と、高濃度にドープされたn型GaAsチャネル層23
中を層界面と平行に電子が高速に走行する。そのため、
このようなGaAs電界効果トランジスタは高速動作が
可能であり、高周波用素子として用いることができる。
In the field effect transistor shown in FIG. 6, when a voltage is applied between the source electrode 26 and the drain electrode 27, the n-type GaAs channel layer 23 which is heavily doped is formed.
Electrons travel at high speed in parallel with the layer interface. for that reason,
Such a GaAs field-effect transistor can operate at high speed and can be used as a high-frequency element.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来の電界効果トランジスタでは、イオン注入法により
高導電領域25a,25bを形成する工程において、エ
ピタキシャル成長時の成長温度以上の高温で熱処理を行
う必要がある。このような高温での熱処理を行うと、n
型GaAsチャネル層23中のドーパントの拡散やAl
GaAs障壁層24とn型GaAsチャネル層23のヘ
テロ接合における構成元素の相互拡散等が起こり、半導
体層の状態が当初の設計したものと異なってくる。
However, in the above-mentioned conventional field effect transistor, in the step of forming the high conductive regions 25a and 25b by the ion implantation method, it is necessary to perform a heat treatment at a high temperature which is higher than the growth temperature during the epitaxial growth. is there. By performing the heat treatment at such a high temperature, n
Of dopant in the GaAs channel layer 23 and Al
Inter-diffusion and the like of constituent elements at the heterojunction of the GaAs barrier layer 24 and the n-type GaAs channel layer 23 occur, and the state of the semiconductor layer differs from the originally designed one.

【0010】特に、n型GaAsチャネル層23のドー
ピング濃度が高い場合には、熱処理中に主としてIII 族
元素であるGaやAlの空孔が多く発生し、この空孔が
ドーパントの拡散や構成元素の相互拡散を促進する働き
をする。この場合、ドーピングプロファイルや伝導帯の
エッジプロファイルが大きく変化し、実際の素子特性が
設計値と大きく異なったり、素子特性の再現性やウエハ
面内での均一性が低下することとなる。また、空孔によ
る欠陥の発生により素子特性が劣化する。
In particular, when the doping concentration of the n-type GaAs channel layer 23 is high, many holes of Ga and Al, which are group III elements, are mainly generated during the heat treatment, and these holes are used for diffusion of the dopant and constituent elements. It works to promote mutual diffusion. In this case, the doping profile and the edge profile of the conduction band greatly change, and the actual device characteristics greatly differ from the design values, and the reproducibility of the device characteristics and the uniformity on the wafer surface are reduced. In addition, the generation of defects due to vacancies deteriorates device characteristics.

【0011】本発明の目的は、熱処理による素子特性の
再現性および均一性の劣化ならびに素子特性の劣化が抑
制された半導体素子を提供することである。
An object of the present invention is to provide a semiconductor device in which deterioration of reproducibility and uniformity of device characteristics and deterioration of device characteristics due to heat treatment are suppressed.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段および発明の効果】本発明
に係る半導体素子は、第1の半導体層と第2の半導体層
とのヘテロ接合を有し、第1の半導体層に一導電型の不
純物元素がドープされ、第1の半導体層中をキャリアが
走行する半導体素子において、第1の半導体層と第2の
半導体層との間に第1の半導体層と同じ半導体材料から
なりかつノンドープまたはキャリア濃度が1016cm-3
以下の第3の半導体層が設けられたものである。
A semiconductor device according to the present invention has a heterojunction between a first semiconductor layer and a second semiconductor layer, and the first semiconductor layer has one conductivity type. In a semiconductor element in which an impurity element is doped and carriers travel in the first semiconductor layer, the semiconductor element is made of the same semiconductor material as the first semiconductor layer between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer, and is undoped or Carrier concentration is 10 16 cm -3
The following third semiconductor layer is provided.

【0013】ここで、「ノンドープ」とは、エピタキシ
ャル成長時に意図的にはドーパントとなる不純物元素が
導入されていないことを意味する。本発明に係る半導体
装置においては、第2の半導体層および第3の半導体層
によりヘテロ接合が形成される。第3の半導体層はノン
ドープまたはキャリア濃度が1016cm-3以下であるの
で、ヘテロ接合の近傍でのキャリア濃度が減少する。熱
処理により発生する空孔はキャリアの移動によって生じ
るため、キャリア濃度が減少すると、発生する空孔の数
が減少するものと考えられる。空孔の数が減少すると、
第1の半導体層中のドーパントの拡散やヘテロ接合の界
面近傍における構成元素の相互拡散が抑制されるととも
に、空孔による欠陥が減少する。それにより、熱処理に
よる半導体層の変化が小さくなり、素子特性の再現性や
ウエハ面内での均一性が改善され、かつ素子特性の劣化
も抑制される。
Here, "non-doped" means that an impurity element serving as a dopant is not intentionally introduced during epitaxial growth. In the semiconductor device according to the present invention, a heterojunction is formed by the second semiconductor layer and the third semiconductor layer. Since the third semiconductor layer is non-doped or has a carrier concentration of 10 16 cm −3 or less, the carrier concentration in the vicinity of the heterojunction decreases. Since the holes generated by the heat treatment are generated by the movement of the carriers, it is considered that when the carrier concentration decreases, the number of generated holes decreases. As the number of vacancies decreases,
Diffusion of the dopant in the first semiconductor layer and mutual diffusion of constituent elements near the interface of the heterojunction are suppressed, and defects due to vacancies are reduced. Thereby, the change of the semiconductor layer due to the heat treatment is reduced, the reproducibility of the device characteristics and the uniformity on the wafer surface are improved, and the deterioration of the device characteristics is suppressed.

【0014】したがって、実際の素子特性と設計値との
誤差が少なくなり、高性能の半導体素子を制御性よく安
定に製造することが可能となる。特に、第1の半導体層
が第2の半導体層よりも大きな電子親和力を有し、一導
電型の不純物元素がn型不純物元素であり、第3の半導
体層が第2の半導体層との界面近傍で1016cm-3以下
の電子濃度を有することが好ましい。
Therefore, errors between actual device characteristics and design values are reduced, and a high-performance semiconductor device can be stably manufactured with good controllability. In particular, the first semiconductor layer has a higher electron affinity than the second semiconductor layer, the one conductivity type impurity element is an n-type impurity element, and the third semiconductor layer is an interface with the second semiconductor layer. It is preferable to have an electron concentration of 10 16 cm −3 or less in the vicinity.

【0015】この場合、熱処理により発生する空孔は電
子の受け渡しによって生じるため、ヘテロ接合の界面近
傍での電子濃度が1016cm-3以下になると、ヘテロ接
合の界面近傍で発生する空孔の数が減少するものと考え
られる。空孔が発生しにくくなると、第1の半導体層中
のドーパントの拡散やヘテロ接合の界面近傍における構
成元素の相互拡散が抑制されるとともに、空孔による欠
陥が減少する。それにより、熱処理によるドーピングプ
ロファイルや伝導帯のエッジプロファイルの変化が小さ
くなり、素子特性の再現性やウエハ面内での均一性が改
善され、かつ素子特性の劣化も抑制される。
In this case, since the vacancies generated by the heat treatment are generated by the transfer of electrons, when the electron concentration near the heterojunction interface becomes 10 16 cm −3 or less, the vacancies generated near the heterojunction interface are reduced. It is expected that the number will decrease. When vacancies are less likely to be generated, diffusion of the dopant in the first semiconductor layer and mutual diffusion of constituent elements near the interface of the heterojunction are suppressed, and defects due to vacancies are reduced. As a result, the change in the doping profile and the conduction band edge profile due to the heat treatment is reduced, the reproducibility of the device characteristics and the uniformity on the wafer surface are improved, and the deterioration of the device characteristics is suppressed.

【0016】第1の半導体層、第2の半導体層および第
3の半導体層がIII −V族化合物半導体からなってもよ
い。この場合には、熱処理中にIII 族元素の空孔の発生
が抑制される。
The first, second and third semiconductor layers may be made of a III-V compound semiconductor. In this case, the generation of vacancies of the group III element during the heat treatment is suppressed.

【0017】特に、第1の半導体層および第3の半導体
層がGaAsからなり、第2の半導体層がAlGaAs
またはInGaPからなってもよい。また、第1の半導
体層および第3の半導体層がInGaAsからなり、第
2の半導体層がGaAs、AlGaAs、InGaP,
InAlAsまたはInPからなってもよい。この場
合、高性能の化合物半導体素子が制御性よく安定に製造
される。
In particular, the first and third semiconductor layers are made of GaAs, and the second semiconductor layer is made of AlGaAs.
Alternatively, it may be made of InGaP. Further, the first semiconductor layer and the third semiconductor layer are made of InGaAs, and the second semiconductor layer is made of GaAs, AlGaAs, InGaP,
It may be made of InAlAs or InP. In this case, a high-performance compound semiconductor device is stably manufactured with good controllability.

【0018】[0018]

【発明の実施の形態】図1は本発明の一実施例による電
界効果トランジスタ用エピタキシャル成長基板の構造を
示す模式的断面図であり、図2は図1のエピタキシャル
成長基板を用いた同実施例の電界効果トランジスタの構
造を示す模式的断面図である。この電界効果トランジス
タは低雑音動作特性と高出力動作特性とを兼ね備え、T
MT(Two Mode Channel FET)素子と呼ばれてい
る。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of an epitaxial growth substrate for a field effect transistor according to one embodiment of the present invention. FIG. 2 is an electric field of the same embodiment using the epitaxial growth substrate of FIG. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view illustrating a structure of an effect transistor. This field-effect transistor has both low-noise operation characteristics and high-output operation characteristics.
It is called an MT (Two Mode Channel FET) element.

【0019】図1において、半絶縁性GaAs基板1上
に、厚さ8000ÅのノンドープGaAs層(バッファ
層)2、厚さ100ÅのノンドープInGaAs層(低
雑音用走行層)3、厚さ50ÅのノンドープGaAs層
4、厚さ400ÅのSiドープn型GaAs層(高出力
用走行層)5、ノンドープGaAs層6および厚さ30
0ÅのノンドープAlGaAs層(障壁層)7がエピタ
キシャル成長により順次形成されている。n型GaAs
層5のドーピング濃度は1×1018cm-3である。上記
の各層2〜7は成長温度500℃で連続成長される。
In FIG. 1, a non-doped GaAs layer (buffer layer) 2 having a thickness of 8000 °, a non-doped InGaAs layer (a low-noise running layer) 3 having a thickness of 100 ° and a non-doped layer having a thickness of 50 ° are formed on a semi-insulating GaAs substrate 1. A GaAs layer 4, a 400 ° thick Si-doped n-type GaAs layer (high-power running layer) 5, a non-doped GaAs layer 6, and a thickness of 30
A 0 ° non-doped AlGaAs layer (barrier layer) 7 is sequentially formed by epitaxial growth. n-type GaAs
The doping concentration of layer 5 is 1 × 10 18 cm −3 . Each of the above layers 2 to 7 is continuously grown at a growth temperature of 500 ° C.

【0020】図2において、ノンドープAlGaAs層
7上の中央部にはそのAlGaAs層7とショットキ接
触するゲート電極11が形成され、ゲート電極11の両
側にソース電極9およびドレイン電極10がそれぞれ形
成されている。ソース電極9およびドレイン電極10直
下には、Siのイオン注入によりn型高導電領域8a,
8bが形成されており、ソース電極9およびドレイン電
極10とオーミック接触している。イオン注入条件とし
ては、注入エネルギーが100keVであり、注入量が
4×1013cm-2である。イオン注入後、880℃で5
秒間の活性化アニールが行われる。
In FIG. 2, a gate electrode 11 is formed at the center of the non-doped AlGaAs layer 7 in Schottky contact with the AlGaAs layer 7, and a source electrode 9 and a drain electrode 10 are formed on both sides of the gate electrode 11, respectively. I have. Immediately below the source electrode 9 and the drain electrode 10, the n-type highly conductive regions 8 a,
8b is formed, and is in ohmic contact with the source electrode 9 and the drain electrode 10. As the ion implantation conditions, the implantation energy is 100 keV, and the implantation amount is 4 × 10 13 cm −2 . After ion implantation, 5 at 880 ° C
Activation annealing is performed for seconds.

【0021】ソース電極9およびドレイン電極10とし
ては、450℃の熱処理により合金化されたAu/Ni
/AuGeの3層構造金属層が用いられ、ゲート電極1
1としては、Au/Pd/Tiの3層構造金属層が用い
られる。
The source electrode 9 and the drain electrode 10 are Au / Ni alloyed by heat treatment at 450 ° C.
/ AuGe three-layer metal layer is used, and the gate electrode 1
As 1, a three-layer metal layer of Au / Pd / Ti is used.

【0022】図2のTMT素子において、ゲート電位が
深いときには空乏層が下方まで延び、n型GaAs層5
から供給された電子が主としてノンドープInGaAs
層3を走行する。この場合、電子はノンドープInGa
As層3の量子井戸内に良好に閉じ込められるので、高
濃度にドーピングされたn型GaAs層5中の不純物の
影響を受けることが少なく、超低雑音特性が得られる。
In the TMT element of FIG. 2, when the gate potential is deep, the depletion layer extends to the lower side, and the n-type GaAs layer 5
Is mainly non-doped InGaAs
Run in layer 3. In this case, the electrons are undoped InGa
Since the semiconductor layer is well confined in the quantum well of the As layer 3, it is less affected by impurities in the n-type GaAs layer 5 doped at a high concentration, and an ultra-low noise characteristic can be obtained.

【0023】一方、ゲート電位が浅いときには空乏層が
縮み、電子は主としてn型GaAs層5を走行する。そ
のため、高濃度にドーピングされたn型GaAs層5が
チャネルとして働き、高く平坦な相互コンダクタンスが
得られて高出力特性が得られる。
On the other hand, when the gate potential is shallow, the depletion layer shrinks and electrons mainly travel through the n-type GaAs layer 5. Therefore, the n-type GaAs layer 5 heavily doped acts as a channel, so that a high and flat transconductance is obtained and high output characteristics are obtained.

【0024】ここで、ノンドープGaAs層6の膜厚を
0から100Åまで変えて複数の試料を作製し、素子特
性を測定した。なお、ゲート長は0.5μmとし、ゲー
ト幅は400μmとした。
Here, a plurality of samples were prepared by changing the thickness of the non-doped GaAs layer 6 from 0 to 100 °, and the device characteristics were measured. The gate length was 0.5 μm and the gate width was 400 μm.

【0025】素子特性としては、ウエハ内の100個の
TMT素子について測定したドレイン飽和電流の標準偏
差、10枚のウエハ間でのTMT素子のドレイン飽和電
流の標準偏差、およびTMT素子の位相雑音を調べた。
ウエハ内でのドレイン飽和電流の標準偏差はウエハ面内
での素子特性の均一性の指標となる。また、ウエハ間で
のドレイン飽和電流の標準偏差は素子特性の再現性の指
標となる。ドレイン飽和電流の平均値は約100mAで
ある。さらに、位相雑音は欠陥の発生状況を示す指標と
なる。
The element characteristics include the standard deviation of the drain saturation current measured for 100 TMT elements in the wafer, the standard deviation of the drain saturation current of the TMT element between 10 wafers, and the phase noise of the TMT element. Examined.
The standard deviation of the drain saturation current in the wafer is an index of the uniformity of the device characteristics on the wafer surface. The standard deviation of the drain saturation current between wafers is an index of the reproducibility of the device characteristics. The average value of the drain saturation current is about 100 mA. Further, the phase noise is an index indicating the state of occurrence of a defect.

【0026】表1にノンドープGaAs層6の膜厚、ヘ
テロ接合界面(ノンドープGaAs層6とノンドープA
lGaAs層7の界面)での電子濃度、ドレイン飽和電
流の標準偏差および位相雑音の関係を示す。ヘテロ接合
界面での電子濃度は、n型GaAs層5のキャリア濃度
およびノンドープGaAs層6の膜厚に基づいて計算に
より求めた。
Table 1 shows the thickness of the non-doped GaAs layer 6 and the heterojunction interface (non-doped GaAs layer 6 and non-doped GaAs layer 6).
The relationship between the electron concentration at the interface of the lGaAs layer 7, the standard deviation of the drain saturation current, and the phase noise is shown. The electron concentration at the heterojunction interface was obtained by calculation based on the carrier concentration of the n-type GaAs layer 5 and the film thickness of the non-doped GaAs layer 6.

【0027】[0027]

【表1】 [Table 1]

【0028】表1から明らかなように、ノンドープGa
As層6の膜厚が厚くなるほど、ウエハ内およびウエハ
間でのドレイン飽和電流の標準偏差が小さくなってい
る。これは、ノンドープGaAs層6の膜厚が厚くなる
にしたがって素子特性のウエハ面内での均一性および素
子特性の再現性が良好となっていることを示している。
As is clear from Table 1, non-doped Ga
As the thickness of the As layer 6 increases, the standard deviation of the drain saturation current within the wafer and between the wafers decreases. This indicates that as the thickness of the non-doped GaAs layer 6 increases, the uniformity of the device characteristics in the wafer surface and the reproducibility of the device characteristics become better.

【0029】また、ノンドープGaAs層6の膜厚が厚
くなるほど、位相雑音も低くなっている。これは、ノン
ドープGaAs層6の膜厚が厚くなるにしたがって欠陥
の発生が抑制されていることを示している。
The phase noise decreases as the thickness of the non-doped GaAs layer 6 increases. This indicates that the generation of defects is suppressed as the thickness of the non-doped GaAs layer 6 increases.

【0030】特に、ノンドープGaAs層6の膜厚が5
0Åになると、ヘテロ接合界面での電子濃度が約1×1
16cm-3となり、ウエハ内およびウエハ間でのドレイ
ン飽和電流の標準偏差がそれぞれ2.2mAおよび3.
0mAと小さくなり、かつ位相雑音が−63.0dBc
/Hzと低くなっている。ノンドープGaAs層6の膜
厚を50Å以上に増加させた場合には、ヘテロ接合界面
での電子濃度はさらに減少するが、素子特性はほとんど
変化していない。
In particular, when the thickness of the non-doped GaAs layer 6 is 5
At 0 °, the electron concentration at the heterojunction interface is about 1 × 1
0 16 cm -3 , and the standard deviations of the drain saturation current in the wafer and between the wafers are 2.2 mA and 3.
0 mA and the phase noise is -63.0 dBc
/ Hz. When the thickness of the non-doped GaAs layer 6 is increased to 50 ° or more, the electron concentration at the heterojunction interface is further reduced, but the device characteristics are hardly changed.

【0031】以上の結果から、ノンドープGaAs層6
とノンドープAlGaAs層7とのヘテロ接合界面での
電子濃度がほぼ1×1016cm-3以下になるようにノン
ドープGaAs層6の膜厚を設計すれば、良好な素子特
性を有するTMT素子を安定して製造することができ
る。
From the above results, it can be seen that the non-doped GaAs layer 6
If the thickness of the undoped GaAs layer 6 is designed so that the electron concentration at the heterojunction interface between the GaAs layer 7 and the non-doped AlGaAs layer 7 becomes approximately 1 × 10 16 cm −3 or less, a TMT device having good device characteristics can be stabilized. Can be manufactured.

【0032】上記のように、本実施例のTMT素子で
は、n型GaAs層5とノンドープAlGaAs層7と
の間にノンドープGaAs層6が設けられているので、
n型GaAs層5中のドーパントの拡散およびGaAs
とAlGaAsとのヘテロ接合界面での構成元素の相互
拡散が抑制されるとともに、空孔による欠陥が減少す
る。その結果、熱処理によるドーピングプロファイルや
伝導帯のエッジプロファイルの変化が小さくなり、ウエ
ハ面内での素子特性の均一性および素子特性の再現性が
改善されるとともに、欠陥の発生に伴う素子特性の劣化
も抑制される。したがって、実際の素子特性と設計値と
の誤差が少なくなり、高性能のTMT素子を制御性よく
安定に製造することが可能になる。
As described above, in the TMT element of the present embodiment, since the non-doped GaAs layer 6 is provided between the n-type GaAs layer 5 and the non-doped AlGaAs layer 7,
Diffusion of dopant in n-type GaAs layer 5 and GaAs
Inter-diffusion of constituent elements at the heterojunction interface between AlGaAs and AlGaAs is suppressed, and defects due to vacancies are reduced. As a result, changes in the doping profile and conduction band edge profile due to the heat treatment are reduced, and the uniformity of the device characteristics and the reproducibility of the device characteristics within the wafer surface are improved, and the deterioration of the device characteristics due to the occurrence of defects is improved. Is also suppressed. Therefore, the error between the actual element characteristics and the design value is reduced, and a high-performance TMT element can be stably manufactured with good controllability.

【0033】なお、本実施例では、n型GaAs層5と
ノンドープAlGaAs層7との間にノンドープGaA
s層6を設けているが、ノンドープGaAs層6の代わ
りにドーピング濃度1016cm-3以下の低濃度のn型G
aAs層またはp型GaAs層を設けてもよい。この場
合にも、ヘテロ接合界面での電子濃度が約1×1016
-3以下となるように低濃度のn型GaAs層またはp
型GaAs層の膜厚を設定することにより、本実施例と
同様の効果が得られる。
In this embodiment, a non-doped GaAs layer is provided between the n-type GaAs layer 5 and the non-doped AlGaAs layer 7.
Although the s layer 6 is provided, instead of the non-doped GaAs layer 6, a low-concentration n-type G layer having a doping concentration of 10 16 cm −3 or less is used.
An aAs layer or a p-type GaAs layer may be provided. Also in this case, the electron concentration at the heterojunction interface is about 1 × 10 16 c
m -3 as to become less than the low concentration n-type GaAs layer or p
By setting the film thickness of the type GaAs layer, the same effect as in the present embodiment can be obtained.

【0034】本発明の半導体素子はTMT素子に限ら
ず、その他の電界効果トランジスタにも適用することが
できる。図3は本発明の他の実施例による電界効果トラ
ンジスタ用エピタキシャル成長基板の構造を示す模式的
断面図であり、図4は図5のエピタキシャル成長基板を
用いた同実施例の電界効果トランジスタの模式的断面図
である。
The semiconductor device of the present invention is not limited to a TMT device, but can be applied to other field effect transistors. FIG. 3 is a schematic sectional view showing the structure of an epitaxial growth substrate for a field effect transistor according to another embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a schematic sectional view of the field effect transistor of the same embodiment using the epitaxial growth substrate of FIG. FIG.

【0035】図3において、半絶縁性GaAs基板21
上に、ノンドープGaAsバッファ層22、n型GaA
sチャネル層23、ノンドープGaAs層23aおよび
ノンドープAlGaAs障壁層24がエピタキシャル成
長により順次形成されている。n型GaAsチャネル層
23のキャリア濃度は例えば1×1018cm-3である。
In FIG. 3, the semi-insulating GaAs substrate 21
On top, a non-doped GaAs buffer layer 22 and n-type GaAs
An s channel layer 23, a non-doped GaAs layer 23a, and a non-doped AlGaAs barrier layer 24 are sequentially formed by epitaxial growth. The carrier concentration of the n-type GaAs channel layer 23 is, for example, 1 × 10 18 cm −3 .

【0036】図4において、AlGaAs障壁層24上
の中央部にはそのAlGaAs障壁層24とショットキ
接触するゲート電極28が形成され、ゲート電極28の
両側にソース電極26およびドレイン電極27がそれぞ
れ形成されている。ソース電極26およびドレイン電極
27直下には、Siがイオン注入されたn型高導電領域
25a,25bが形成されており、ソース電極26およ
びドレイン電極27とオーミック接触している。
In FIG. 4, a gate electrode 28 is formed at the center of the AlGaAs barrier layer 24 in Schottky contact with the AlGaAs barrier layer 24, and a source electrode 26 and a drain electrode 27 are formed on both sides of the gate electrode 28, respectively. ing. Immediately below the source electrode 26 and the drain electrode 27, n-type high conductive regions 25a and 25b into which Si is ion-implanted are formed, and are in ohmic contact with the source electrode 26 and the drain electrode 27.

【0037】特に、ノンドープGaAs層23aの膜厚
は、ノンドープGaAs層23aとノンドープAlGa
As障壁層24とのヘテロ接合界面での電子濃度がほぼ
1×1016cm-3以下となるように設定される。
In particular, the thickness of the non-doped GaAs layer 23a is the same as that of the non-doped GaAs layer 23a.
The electron concentration at the heterojunction interface with the As barrier layer 24 is set to be approximately 1 × 10 16 cm −3 or less.

【0038】本実施例の電界効果トランジスタでは、n
型GaAsチャネル層23とノンドープAlGaAs障
壁層24との間にAlGaAsとGaAsとのヘテロ接
合界面での電子濃度がほぼ1×1016cm-3以下となる
ようにノンドープGaAs層23aが設けられているの
で、n型高導電領域25a,25bを形成する際に高温
熱処理を行っても、ヘテロ接合の界面近傍での空孔の発
生が抑制される。それにより、n型GaAsチャネル層
23中のドーパントの拡散やヘテロ接合の界面近傍での
構成元素の相互拡散が抑制されるとともに、空孔による
欠陥が減少する。その結果、高温熱処理によるドーピン
グプロファイルや伝導帯のエッジプロファイルの変化が
小さくなり、ウエハ面内での素子特性の均一性および素
子特性の再現性が改善されるとともに、欠陥の発生に伴
う素子特性の劣化も抑制される。したがって、実際の素
子特性と設計値との誤差が少なくなり、高性能の電界効
果トランジスタを制御性よく安定に製造することが可能
になる。
In the field effect transistor of this embodiment, n
A non-doped GaAs layer 23a is provided between the GaAs channel layer 23 and the non-doped AlGaAs barrier layer 24 such that the electron concentration at the heterojunction interface between AlGaAs and GaAs is approximately 1 × 10 16 cm −3 or less. Therefore, even when a high-temperature heat treatment is performed when forming the n-type high conductive regions 25a and 25b, generation of vacancies near the interface of the hetero junction is suppressed. This suppresses the diffusion of the dopant in the n-type GaAs channel layer 23 and the interdiffusion of the constituent elements near the interface of the heterojunction, and reduces defects due to vacancies. As a result, changes in the doping profile and the conduction band edge profile due to high-temperature heat treatment are reduced, and the uniformity of device characteristics and the reproducibility of device characteristics within the wafer surface are improved. Deterioration is also suppressed. Therefore, the error between the actual device characteristics and the design value is reduced, and a high-performance field-effect transistor can be stably manufactured with good controllability.

【0039】なお、本実施例では、n型GaAsチャネ
ル層23とノンドープAlGaAs層24との間にノン
ドープGaAs層23aを設けているが、ノンドープG
aAs層23aの代わりにドーピング濃度1016cm-3
以下の低濃度のn型GaAs層またはp型GaAs層を
設けてもよい。
In this embodiment, the non-doped GaAs layer 23a is provided between the n-type GaAs channel layer 23 and the non-doped AlGaAs layer 24.
Doping concentration of 10 16 cm -3 instead of the aAs layer 23a
The following low-concentration n-type GaAs layer or p-type GaAs layer may be provided.

【0040】なお、図2および図4の実施例では、本発
明をAlGaAs/n型GaAsヘテロ接合を有する電
界効果トランジスタに適用した場合を説明したが、本発
明は、InGaP/n型GaAs、AlGaAs/n型
InGaAs、GaAs/n型InGaAs、InGa
P/n型InGaAs、InAlAs/n型InGaA
s、InP/n型InGaAs等のヘテロ接合を有する
電界効果トランジスタおよびその他の半導体素子にも同
様にして適用することができ、上記実施例と同様の効果
が得られる。
In the embodiments shown in FIGS. 2 and 4, the case where the present invention is applied to a field-effect transistor having an AlGaAs / n-type GaAs heterojunction has been described. However, the present invention relates to InGaP / n-type GaAs and AlGaAs. / N-type InGaAs, GaAs / n-type InGaAs, InGa
P / n-type InGaAs, InAlAs / n-type InGaAs
The present invention can be similarly applied to a field effect transistor having a heterojunction such as s, InP / n-type InGaAs or the like and other semiconductor elements, and the same effect as the above embodiment can be obtained.

【0041】また、図2および図4の実施例では、本発
明をn型チャネルを有する電界効果トランジスタに適用
した場合を説明したが、本発明をp型チャネルを有する
半導体素子に適用してもよい。
In the embodiments shown in FIGS. 2 and 4, the case where the present invention is applied to a field-effect transistor having an n-type channel has been described. However, the present invention is also applicable to a semiconductor device having a p-type channel. Good.

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

【図1】本発明の一実施例による電界効果トランジスタ
用エピタキシャル成長基板の構造を示す模式的断面図で
ある。
FIG. 1 is a schematic sectional view showing the structure of an epitaxial growth substrate for a field effect transistor according to one embodiment of the present invention.

【図2】図1のエピタキシャル成長基板を用いた同実施
例の電界効果トランジスタの構造を示す模式的断面図で
ある。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the field-effect transistor of the same example using the epitaxial growth substrate of FIG.

【図3】本発明の他の実施例による電界効果トランジス
タ用エピタキシャル成長基板の構造を示す模式的断面図
である。
FIG. 3 is a schematic sectional view showing a structure of an epitaxial growth substrate for a field effect transistor according to another embodiment of the present invention.

【図4】図3のエピタキシャル成長基板を用いた同実施
例の電界効果トランジスタの構造を示す模式的断面図で
ある。
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the field-effect transistor of the same example using the epitaxial growth substrate of FIG.

【図5】従来の電界効果トランジスタ用エピタキシャル
成長基板の構造を示す模式的断面図である。
FIG. 5 is a schematic sectional view showing the structure of a conventional epitaxial growth substrate for a field effect transistor.

【図6】図5のエピタキシャル成長基板を用いた従来の
電界効果トランジスタの構造を示す模式的断面図であ
る。
6 is a schematic cross-sectional view showing a structure of a conventional field-effect transistor using the epitaxial growth substrate of FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 半絶縁性GaAs基板 3 ノンドープInGaAs層 5 n型GaAs層 6 ノンドープGaAs層 7 ノンドープAlGaAs層 8a,8b n型高導電領域 23 n型GaAsチャネル層 23a ノンドープGaAs層 24 ノンドープAlGaAs障壁層 25a,25b n型高導電領域 Reference Signs List 1 semi-insulating GaAs substrate 3 non-doped InGaAs layer 5 n-type GaAs layer 6 non-doped GaAs layer 7 non-doped AlGaAs layer 8a, 8b n-type high conductive region 23 n-type GaAs channel layer 23a non-doped GaAs layer 24 non-doped AlGaAs barrier layer 25a, 25b Mold high conductivity area

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤井 栄美 大阪府守口市京阪本通2丁目5番5号 三 洋電機株式会社内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Emi Fujii 2-5-5 Keihanhondori, Moriguchi-shi, Osaka Sanyo Electric Co., Ltd.

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 第1の半導体層と第2の半導体層とのヘ
テロ接合を有し、前記第1の半導体層に一導電型の不純
物元素がドープされ、前記第1の半導体層中をキャリア
が走行する半導体素子において、前記第1の半導体層と
前記第2の半導体層との間に前記第1の半導体層と同じ
半導体材料からなりかつノンドープまたはキャリア濃度
が1016cm-3以下の第3の半導体層が設けられたこと
を特徴とする半導体素子。
The semiconductor device has a heterojunction between a first semiconductor layer and a second semiconductor layer, wherein the first semiconductor layer is doped with an impurity element of one conductivity type, and a carrier in the first semiconductor layer. Travels between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer, the first semiconductor layer is made of the same semiconductor material as the first semiconductor layer, and has a non-doped or carrier concentration of 10 16 cm −3 or less. 3. A semiconductor device, wherein the semiconductor device according to claim 3 is provided.
【請求項2】 前記第1の半導体層は前記第2の半導体
層よりも大きな電子親和力を有し、前記一導電型の不純
物元素はn型不純物元素であり、前記第3の半導体層は
前記第2の半導体層との界面近傍で1016cm-3以下の
電子濃度を有することを特徴とする請求項1記載の半導
体素子。
2. The method according to claim 1, wherein the first semiconductor layer has a higher electron affinity than the second semiconductor layer, the one conductivity type impurity element is an n-type impurity element, and the third semiconductor layer is 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor element has an electron concentration of 10 16 cm -3 or less in the vicinity of the interface with the second semiconductor layer.
【請求項3】 前記第1の半導体層、前記第2の半導体
層および前記第3の半導体層はIII −V族化合物半導体
からなることを特徴とする請求項1または2記載の半導
体素子。
3. The semiconductor device according to claim 1, wherein said first semiconductor layer, said second semiconductor layer, and said third semiconductor layer are made of a group III-V compound semiconductor.
【請求項4】 前記第1の半導体層および第3の半導体
層がGaAsからなり、前記第2の半導体層がAlGa
AsまたはInGaPからなることを特徴とする請求項
2または3記載の半導体素子。
4. The semiconductor device according to claim 1, wherein said first semiconductor layer and said third semiconductor layer are made of GaAs, and said second semiconductor layer is made of AlGa.
4. The semiconductor device according to claim 2, wherein the semiconductor device is made of As or InGaP.
【請求項5】 前記第1の半導体層および前記第3の半
導体層がInGaAsからなり、前記第2の半導体層が
GaAs、AlGaAs、InGaP、InAlAsま
たはInPからなることを特徴とする請求項2または3
記載の半導体素子。
5. The semiconductor device according to claim 2, wherein said first semiconductor layer and said third semiconductor layer are made of InGaAs, and said second semiconductor layer is made of GaAs, AlGaAs, InGaP, InAlAs or InP. 3
The semiconductor element as described in the above.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107195773A (en) * 2017-06-26 2017-09-22 中国科学技术大学 P-type semiconductor's hetero-junctions Hall rod, its preparation and application and purposes

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