JPS58119671A - 電界効果トランジスタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、電界効果トランジスタおよびそれ一方、電界
効果トランジスタは動作上、大別してノーマリｅオン型
とノーマリ・オフ型がある。大規模集積回路のスイッチ
ング素子としては回路の簡単さおよび消費電力の少なさ
の点からノーマリ・オフ型の優れている。しかしながら
、従来のノーマリ・オフ蓋電界効果トランジスタはいず
れも実用上問題がある。このことについては後に詳述す
る。一方、ノーマリ・オン型の電界効果トランジスタも
必ずしも間層が解決されているわけではなく、高速化、
低電力化のため使用温度を下けて行くとシ目ットキ１バ
リア型、ｐ−ｎ接合蓋では不純物Ｌ・、（子の７リージ
イング現象、ショットキ・バリ″ｆｉｌｉｓｗｘｒＨ１
でアを、ｉ接合型、およびＭＩＳ型を示す。第１図示ノ
ショットキ・バリア型電界効果トランジスタの場合、ゲ
ート金属６が半導体１に直！１！接触していわゆるシ旨
ットキ拳バリアを形成する・この型の電界効果トランジ
スタはソース４、ゲート８間の電圧が零の場合でもゲー
ト金属６と半導体ｌとの間の拡散電位（半導体１がＧａ
ム８の場合、金属の種１ｉＫかかわらず約ＱＪｒＶ）の
ため、ゲート金属６の下にＦｉ電子空乏層７が形成され
る。この電子空乏層フの厚さと半導体１の厚さを等しく
選ぶことｋよって電子空乏層７の下の半導体の厚さが零
になり、ソース４・ドレイン６関に電流を流れなくする
仁とがで自る◎ソース４・ゲー）ｂ閾電圧が正のとき電
子空乏層７の下の半導体１の厚さが零でなくな〉、ソー
ス４・ドレイン５関に電流が流れる。すなわ集積回路の
ように大面穂にわたってこのような条件を涛たすことが
要求される場合、その実現は極めて難しい。すなわち、
半導体１の厚さと不純物濃度を両者共精度よく広−面積
にゎたり一様に形成することは難しいからである。第２
図示ｐ−ｎ接合型の電界効果トランジスタは、ｐ型の半
導体９を半導体１の上に配しト接合を形成させる。動作
原理は第１図のショットキ・バリア型と同じであるが、
ｉ接合の拡散電位はショットキ・バリアに比べて大吉＜
（Ｇａム８の場合約ｔｌＩｌ、その分電子空乏層）は大
きくなり半導体ｌの厚さ、不純物濃度の制御轄墨しくな
るが製造における本質的な難しさｋは変りがない。第３
図示のＭＩＢ型電界効果トランジスタは絶縁物１０を介
して金属６を半導体１ある−は半導体１１と対峙させる
。絶縁物として酸化物を用いたものがいわゆる１０Ｓ型
である。この構〒−Ｎ 舜をもつ電界効果トランジスタはさらに第３図（１）お
よび（Ａ）に示すように二通り型に分れる。第Ｊ図（ｇ
）はショットキ・バリア型およびｐ−ｎ接合脚と同じよ
うに、ソース≠・ゲート８間電圧が零のときに半導体１
の厚さ全てに亘って電子空乏層フが延びて≠るが、正の
電圧を加えると電子空乏層７が縮ま〉、ソース４・ドレ
イン５間電流が流れる型のものである。この型のものは
ショットキーバリア型およびｐ−１１！１合型と同様、
均一な特性のものをつくる上で技術的な困難が伴う。第
３図０）に示す麗ＩＳｍ電界効果トランジスタのもう１
つの蓋は、半導体１１がＰＭであや、ソース４・ゲート
８関に正の電圧を加え番と半導体１１中の絶縁物１０と
の界面に反転層がで自電子面電荷が誘起され、その電子
がソース４・ドレイン５関電流に寄与する菫のものであ
る。この蓋のＭＩＳ　ＩＩ電界効果トランジスタは半導
体１１としてシリコン、絶縁物１０として二酸化シリコ
ンを用いて、いわゆるシリコン・ＭＯＢ場合、半導体１
１と絶縁物１０との界面の良質なものを得ることが出来
ず、したがって良質な反転層および蓄積層を得ることが
できないという欠点がある。

本発明は上記従来技術によるノーマリ・オン掴、ノーマ
リ・オフ型双方の電界効果トランジスタの欠点、′＃に
顕著な効果が期待できるノーマリ＊Ｊフ型の化合物半導
体電界勢果トランジスタの欠点を除き、技術的に容易な
方法で高性能な電界効果トランジスタを得ることを目的
とする。

以下、本発明につ−て説明する。ソース、ドレイン領域
に接して設けられた第１の半導体よりなるチャネル形成
領域の上に２層のゲートを設ける。チャネル形成領域に
接する第１層は不純物濃度が小さくかつ第１の半導体よ
りバンド専ル形成領域表面から出て第１層内を通過して
来た電気力線を終燗でちる程、低抵抗な材料又は高不純
物濃度の半導体で構成される。ここでゲート第２層はゲ
ートからのキャリア注入を防り目的で第１層よりバンド
・ギャップが小さい材料が望ましい。一般に本発明の電
界効果トランジスタのゲートしきい値電圧Ｖｔ１社で与
えられる。ここでφｏｓｔ′ｉｌｌ／の半導体とゲ−＞
＠２層の仕事関数差で、軸はしきい値電圧における第１
の半導体の表面電位を７ラツト・バンドから測定した量
であるＱりは第一の半導体の誘電率、ｑは電荷嵩量、彼
号の上側は不純物がドナーの場合、下側は不純物がアク
セプタ、゛リアがチャネル形成領域に含まれる不純物と
同一の伝導製でかつ第１の半導体の表面に誘起されるこ
とにより生ずるいわゆる蓄積型の電界効果トランジスタ
動作様態の場合は（１）式右辺第３項は零となる。（１
）式においてφ０１！＋φ８は第１の半導体の不純物濃
度Ｍ、および第一の半導体の不純物濃度Ｎ３のいずれに
もほとんど依存しないから、しきい値電圧ＬｉのＮ１１
Ｎｆｉ依存性を小さく−ｔ１目的のためには（１）式右
辺ｓ３項および第参項のＮ１、Ｎ＠双方の値自体を小さ
く選べばよ−（前記蓄積型の電界効果シランジスタ動作
様態で＃ｉ＜１）式右辺′ｓ３項が零であるのでＶｊＡ
のＭ、依存性はない。したがって上記目的のためには島
の値だけを小さく選べばよい）１崎しかしながら、Ｍｌ
はソースＯドレイン間のパンチ・スルーを訪ぐ２）、シ
きい値電圧の設ｉ性、再現性の優れた構成をとる。本発
明ではこのようなＮ、の値を有する第２の半導体を「不
純物濃度の小さいｊと、称する。要するに、本発明の電
界効果トランジスタのゲートしきい値電圧＃ｉ第２の半
導体の不純物濃度Ｎ３では規定されず１ゲ一ト第２層を
構成す計することができる。特に第７の半導体からなる
チャネル形成領域が高抵抗の逆導−型又は絶縁性半導体
基板又はサファイアのような絶縁性基板上に非常に薄く
形成されて−るか、又はＭｌが小さ−と（１）式右辺０
１８３項も無視できるのでゲートシきい値電圧はゲート
第２層の材料の仕事関数とチャネル形成領域の第７の半
導体の仕事Ｍ数の差φＱｍだけで決まる。あるψは、電
界効果トランジスタの動作様層が前記電荷蓄積型である
場合においても、ゲートしきい値電圧はゲ’７％ト＠２
層の材料の仕事関数とチャネル形成の′奄 体あるいは低抵抗層の組合せの代表的な例についてのバ
ンド−ダイアダラムを示すものである。

第１Ｉ図（ｇ）、（Ａ）、（ｆｆン、−）、（ｇンの組
合せによってどのような電界効果トランジスタの動作ｍ
が得られるかを示したのがＩ／表である◎ 第１表 第１表社第１の半導体の伝導帯の有効状態密度が１０１
・／ｃ１１前後と比較的大きい８１等の半導体について
の結果であり１．１０”／−前後の状態密度を有するＧ
ＲＡＢ等の半導体については後の実施例で詳述するよう
に、第１表に示した例以外にも電界効果トランジスタ動
作の型がある・第１表の組合わせ例から、ゲート第２層
の材料又は不純物の種類、濃度の興なるトランジスタを
同一チップにに作り込んでゲートしきい値電圧１町−ン
蓋を負荷として、−わゆるｌ／ＤＩＩインバータを基本
とするゲート、メモリなどの集積回路を得ることができ
る。これにより、低電力、高速ＩＣを実現することがで
きる。さらに組合わせ（＃）を用−てｐチャネル、ｎチ
ャネル共にノーマリ・オｙｌｌｌの相補型回路を得るこ
とができる。

さらに詳細に検討すると（ＩＩ）！？）の組合わせでも
第７の半導体を低不純物濃度とし１ゲ−Ｆ！！２層であ
る高不純物半導体の仕事闘数又社不純物濃度を規定値に
実現することによって、丁度ダートしきい値電圧をわず
かノーマリ−オフ儒へ設計することができる０このよう
な場合は動作速度を低下させることなく電源電圧を著し
く低減することができ、ＬＳＩにおいては高速性を保っ
たｔま集積度を大きくすることが可能となる。

一方、第１の半導体の上に第２の半導体Ｃゲ鳥ト第１層
）かへテロ・エピタキシャル技術（°気相成長、高真空
中での結晶成長等）Ｋよって輪晶構造の連続性がよく成
長された場合はｌ＃に界面単位や表面散乱の影響が小さ
く、第１の半導体（チャネル形成値域）表面上に理想的
な反転又は蓄積型の誘起チャネルを有する電界効果トラ
ンジスタを得ることができる。

次に本発明の実施例として第１の半導体が化合物半導体
でチャネルがｎ１ＩＪである場合の電界効果トランジス
タの構成を第５図によって詳細に述べる。

チャネル形成値域をＩＩＩ成する第／の半導体である半
導体１８は低不純物濃度のｎ型あるいはｐ型の、あるψ
は不純智添加のほとんどなされていな≠高純度のＧａＡ
ａ　等の化合物半導体である〇半導体１８は絶縁性の基
板２上にある◎半導体１４は半導体１８よりもバンド・
ギャップが大吉〈て半導体１８と良質のへテロ接合を形
成する半４体１８とは別槙の不純物濃度の小さい半導体
である。

半導体１４の厚さは半導体１８と半導体１５の間でド４
ヒイン・ソース電流より過大なトンネル電流が−れない
範囲であれば十分薄くすることができ一０半導体１４と
しては、半導体１８がＧａＡａの場合、−例としてＧａ
、ム１１−一が挙げられる。半導体ｌ墨は半導体１３よ
り高濃度に不純物添加されたｎｈ掴でかつ半導体１４よ
りバンド・ギャップが小さ一半導体である。半導体１８
がＧａＡｇの場合半導体１５の一例としてがのＧａＡａ
ｔｌｈ挙げられる。半導体１５上の少なくとも一部にオ
ーミック電−８′が設けである・半導体１本１５が一緒
になってゲートを形成する。ソース、ドレインの各領域
はそれぞ・れオーミック電極８，８’、およびｎ４型で
半導体１８と同種の化合物半導体ＩＬ］Ｊ青形成される
。

半導体１８がＧａＡ８．半導体１４がＧａ　ｇＡｌ　ｔ
−ｇムＳの場合、半導体１５は勿論ｎ形の高不純物濃度
を有するＩｎＰで構成されてもよいし、半導体１６の代
りに４・１　ｅｖ　前後の仕事関数を有する？１ｓＴａ
を用いてもよい。ＩｎＰの場合は、ＧａＡｇの場合とほ
ぼ同様に半導体１４と結晶構造のほぼ連続した良好な層
を得ることができ、かつＧａｕｓｓ　を用ψたすきより
更に不純物濃度を大として制御を容易霧することができ
る・ 次に、本実施例の電界効果トランジスタの動巷原理を第
６図に依って詳細く説明する。

第を図は半導体１８としてｎ　Ｉ［ＧａＡｓ　ｓ半導体
１４として不純物濃度の小さいＧａ＠０ｇム１ｏ、１ム
８．半導体１ｂとしてｎ”形Ｇａ１ｇを用いた場合を示
すものである。第６図（−）はソース４、ゲート８間に
電圧を加えない場合の、ゲート付近における、ソース４
・ドレイン６方向と直角な方向のバンド・ダイアダラム
である。半導体１４は半導体１８，１５よりバンド・キ
ャップが約（ｌｊ４ｅＶ大きく、そのうち約（ｌｊｅＶ
が伝導帯下端の差であり、残りＱＯ４ｅＶが価電子帯上
端の差である。したがって、急峻なヘテロ接合では伝導
帯下端を表わす線７６は半導体１４との界面でステップ
的に約ＱＪｅＶだけ上がる。半導体１８ある一社半導体
１５の中の電子がこのステップを越えて互−に他の領域
に入るためにはその方向の運動エネルギーを少なくとも
ａ３・Ｖ持先ねばならな≠０そのような電子重数はトラ
ンジスタを低電圧で動作させる限り一めて少数である。

したがって、ゲート電流−社拳視できる。また、半導体
１４中で不純物濃度が′−ｉＰ′：！にいので、半導体
１４中のキャリアがエネルギーの低い半導体１８．１５
にとほれ落ちた後のドナーあるーはアクセプタによる空
間電荷社極めて少量である。したがって、半導体１４は
半導体１８と半導体１ｓの関にあってキャリア分離の働
きをする。化合物半導体のうちＧａＡ３　　のように伝
導帯の有効状態密度が１０”　ａｆ程度である場合には
半導体１８中の半導体１４との界面付近においては、第
６図（ｔｌ）に示すように伝導帯下端１６が７エルミレ
ベルｊ１７近くまで下がり弱い１子電荷の１１・が生ず
るが面電荷の量は少ない。この構造ｄニーｖランジスタ
のソース４・ゲー）８間に正のａ鵞’を加えるとバンド
・ダイアグラムは＃１≦図ψｙ＋ように変わる。すなわ
ち、伝導帯下端１６は半導体１８において半導体１４と
の界面付近で７エルミ・レベル１７以下に下がり、そこ
に強≠電子電荷の誘起が生ずる。その面電荷はゲート８
に加え一部の電圧とともに増加し、これがソース１・Ｙ
レイン８の間の電流を運ぶ。本実施例の電界効果トラン
ジスタは、バンド・ダイアグラムか８ｍらかなように、
し古い値電圧は零近傍の値をもち、それは半導体１８．
１４．１５の不純物濃度、厚さ等によって大きく変わる
こと社ない。したがって、本実施例の電界効果トランジ
スタを用ψれば均質な特性のノーマリ・オフ型電界効果
トランジスタを大面積にわたって容易に得るこ、！：　
カーｃ’　＊　ル。また、Ｇａ、ム１１−．ＡｇとＧａ
Ａｇの界面はトラップ等の少ない理想的な界面であるこ
とが分っているので、界面付近に誘起された゛電子は全
てがソース４・ドレイ２５間の電流を運ぶのに役立つし
、界面単位に起因する雑音も、低温動作における異常な
振舞いも甚だ少ないＯ不純物濃度の少な−ＧａＡｇ　中
の電子の移動度は約ｔｓｏｏｃｉｖ″″１８″１とシリ
コン中の電子の移動度の約ｊ〜６倍にも達し、その分、
低電圧動作を可嬬らに高くなり、７７にで／　Ｘ　１０
’ｃｊ　Ｖ’″１「１　近１く１で上がる。した、かっ
て、この構造のトラ：／ｌジメタは低温動作させれば、
さらに飛躍的に性’−ＩＩＩ！か向上する。上記の例で
は半導体１８ａ　ｎ　ＩＩであったが、半導体１８はｐ
Ｉ［であっても同等の動作が得られるのは明らかである
。＃！７図は、半導体１８がＰＩ［の場合のバンド・ダ
イアグラムを示したものである。すなわち、不純物半導
体１４を薄くすれば、伝導帯下端１６は半導体１８にお
いて半導体１４との界面付近で７エルミ・レベル１７の
近くを離れることはない。この構造の電界効果トランジ
スタのソース４・ゲート８関に正の電圧を加えると伝導
帯下端１６は半導体１８にお−て半導体１４との界面付
近で７エルミΦレベル１７以下に下がり、そこに電子電
荷の誘起が生ずることは第７図の場合と同じである〇 第３図においては半導体１８としてＧａＡｓ１，４導体
１４としてＧａ（１，マムＩＩ、ｌ　ＡＨを例にとった
が、必ずしもそれらの化合物半導体の組合わせに限るも
のではないことは明らかである。例えば、半導誹１８と
してＧａＡｓ、半導体１４としてＧａ、ム１１−．ムり
躯合わせ、Ｉｎ５１）　−ｃｄＴｅｔＧａ、　Ｉｎ１−
ａｅムｓ−Ｉｎｇム１１−ｇＡ１１ｓ１！ａＳｂ、−Ｚ
ｎＴｅ又はＧａ、Ａｌｌ　−ｇ　Ｓｂ　ｔ　ＩｎＡ３　
＋＋　Ｇａｒｂ又櫨ＺｎＴｅ　、　Ｉｎ１−ｇ　Ｇａ、
Ａｇ、　Ｐｌ−、−ＩｎＰ等の組合せがある。また、第
５図においてゲート電極８′社半導体１５の上全面につ
けられていたが、その替多半導体１５の一部に付けるこ
ともできることは明らかである・そうすることによりゲ
ート構造が簡章になる。

以上述べたように本発明は電界効果トランジスタは要す
るに以下のような特有の効果をもつ。

すなわち、チャネル形成領域を構成する第１の半導体に
接する第２の半導体（ゲートを構成する２層のうち第１
層）として、不純物濃度の低−半導体を用いる仁とによ
って、電界効果トランジスタのゲートしきい値電圧が第
コの半導体の不純物濃度に依存しな−ようにすることが
で暑る０電界効果トランジスタｔｉ［）ＩＩＥよっては
さらにゲートしきい値電圧が！！ｌの半導体とゲート第
２層の材料の仕事関数の差のみで与えられＡようＫＲ針
することができるので、均質な特性の電界効果トランジ
スタを大面積に亘って製造することが容易にな多、大規
模集積回路が容易に実現できるようになる。さらに、第
１の半導体と第２の半導体の間の界面単位、トラップ等
の影響、および低湿におけるキャリアー７リージンダ等
の影響で電界効果トランジスタの特性が悪くなることを
避けることができる。この効果は特に第１の半導体が化
合物半導体である場合のように良質なＭＩＳ型構造が得
られていない場合に顕著である。すなわち、本発明の電
界効果トランジスタを化合物半導体に適用することによ
って、化合物半導体の電子の移動度が大きいことを利用
した極めて高速、低消費電力の均質な電界効果トランジ
スタを得ることかで龜る。

以上説明したよのうに、本発明によるトランジスタは、
低消費電力の大規模集積回路を容易に得ることを可能と
し、高速電子計算機、高速通信用１子装置の技術分野に
貢献するところ極枦て大なるもので、ある〇 ！；

【図面の簡単な説明】

；′第７．２３図は従来技術による電界効果トランジス
タの構成略図、第１図は本発明の各種組合わせによる電
界効果トランジスタのエネルギー・イン、７は電子空乏
層、８はゲート、９はｐ型半導体、ｌＯは絶縁体、１１
はｐ型半導体、１２はｎ０型半導体、１８は半導体、１
４は不純物濃度の小さ一半導体、１５は不純物濃度の大
きい半導体、１６ハ６ｉａｌｌｌ帯下端、１７はフェル
ミ・レベル、１８は価電子帯上端、１９は低抵抗層であ
る。 第１図 ３４ 矛４図 第５図 Ｒ 矛６図 （０） （ｂ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （リ　ソース、ドレイン領域と、該ソース−ドレイン領
   域に接して設けられた第１の半導体よりなるチャネル形
   成領域と、該チャーネル形成領域上に設けられた２層の
   ゲートから少なくとも構成され、前記ゲートのチャネル
   形成領域に接すｈ第１層は前記第１の半導体よりバンド
   ・ギヤ會ブが大さくかつ不純物濃度が小さい第２の半導
   体からなり、前記ゲートの第２層は前記第１層より低抵
   抗の材料な−しは前記第１の半導体より不純物濃度が大
   きい半導体で構成されて−ることを特徴とする電界効果
   トランジスタ。 （２）　　特許請求の範囲第（１）項記載の電界効果ト
   ランジスタにおいて、ゲートを構成する第２層がチャネ
   ル形成領域を構成する第１の半導体と同種の半導体であ
   ることを特徴とする電界効果トランジスタ。 （３）　　特許請求の範囲の第（０項記載の電界効果ト
   ランジスタにおいて、ゲートを構成する第一層がチャネ
   ル形成領域を構成する第７の半導体の仕事関数と丁度等
   しい近傍に仕事関数をもつ低抵抗材料であることを特徴
   とする電界効果トランジスタ〇 （４）特許請求の範Ｈ１ｌ！ｋｃυ項記載の電界効果ト
   ランジスタにおψて、第１の半導体がＧａＡｇであり、
   第２の半導体がＧａ、ム１１−、ムＳ　もしくはＺｎ５
   ｅＳあることを特徴とする電界効果トランジスタ。 枦）　特許請求の範囲第（１）項記載の電界効果トラン
   ジスタにおいて、第１の半導体がＳｉであり、第一の半
   導体がＧａＰであることを特徴とする電界効果トランジ
   スタ。 （６）　　特許請求の範囲第（１）項記載の電界効果ト
   ランジスタにお−で、第１の半導体がＩｎＳｂ　　であ
   り、第２の半導体がＯｄｌ’ａ　　であることを特徴と
   する電界効果トランジスタ。 （γ）　特許請求の範囲第（１）項記載の電界効果トラ
   ンジスタにおいて、第１の半導体がＧａｚＩｎｌ−、ム
   ８であり、第２の半導体がＩｎｚｎエム−、ム８である
   ことを特徴とする゛−界効果トランジスタ◎（８）特＃
   １：請求の範囲第（１）項記載の電界麹米トランジスタ
   において、！！ｌの半導体がＧａｒｂであり、第２の半
   導体がＧａｐム１１−、ＳｂもしくはＺｎＴｅであるこ
   とを特徴とする電界効果トランジスタ０ （９）特許請求の範囲第（１）項記載の電界効果トラン
   ジスタにおψて、第１の半導体がＩｎｋ−、、Ｇａ。 ム８ｗＰｌ−ｙであり、第２の半導体がＩｎＰであるこ
   とを特徴とする電界効果トランジスタ。 （ｌυ　特許請求の範囲第（１）項記載の電界効果トラ
   ンジスタにおいて、ゲートを構成する１１１２層の材料
   あるいは不純物の濃度、種顯の異なるトランジスタを同
   一チップ上に作り込んだことを特徴とする集積回路０ （ロ）特許請求の範囲第（１）項記載の電界効果トラン
   ジスタにおいて、ゲートを構成する第２層として、仕事
   関数が丁度＃／の半導体のｌｌ１ｌｌｌ帯の中央近傍に
   位置する材料を用い、共通ゲージ構成により相補形のノ
   ーマリ・オフ型トランジスタを設けたことを特徴とする
   相補形集積回路。