JPS58147078A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
発明の技術分野
本発明は、高電子移動度トランジスタ即ちHEM’1(
High Jilmctron Mobility T
ransistor) ヲ有する半導体装置に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Technical Field of the Invention The present invention relates to a high electron mobility transistor or HEM'1 (
High Jilmctron Mobility T
The present invention relates to a semiconductor device having a transistor (transistor).
従来技術と問題点
本発明者は、さきに、電子親和力を異にする2種の半導
体を接合することにより形成される一つのへテロ接合面
の近傍に発生する電子蓄積層(,2次電子ガス)の電子
濃度を制御電極に印加される電圧に依って制御するよう
にし、その制御に依り、他に設けた一対の、出力電極間
の導萼路を成している前記電子蓄積層のインピーダンス
を実質的に変化させるようにした能動的半導体装置なH
EM’l”として提供しく要すれば特願昭55−820
35号参照)、また、同一基板上にノーマリ・オフ型(
エンハンスメント・モードm ) xxxrとノーマリ
・オン型(デプレッション・モード型) HEMTとを
形成したElD型半導体装置も提供した。Prior Art and Problems The present inventors first investigated an electron storage layer (, secondary electron The electron concentration of the gas) is controlled by the voltage applied to the control electrode, and by this control, the electron concentration of the electron storage layer forming the conduction path between the other pair of output electrodes is controlled. H is an active semiconductor device that substantially changes impedance.
If you wish to provide it as EM'l, please apply for the patent application 1982-820.
35), and normally off type (see No. 35) on the same board.
The present invention also provided an ElD type semiconductor device in which an enhancement mode m) xxxr and a normally-on type (depression mode type) HEMT were formed.
第1図は前記ElD型半導体装置の要部断面図である。FIG. 1 is a sectional view of a main part of the ElD type semiconductor device.
図に於いて、1は半絶縁性GaAg基板、2はバッファ
層、5はノン・ドープ(iaAp層(チャネル層)、4
は2次元電子層、4′は2次元電子欠如部、5は外型A
ftGaAz層(電子供給層)、5′はノン・ドープJ
nGaAz層(この層は必須ではない)、6は愕型Ga
Az層(31蔽層)、7D、 、 7D、はデプレッシ
ョン・モード素子の出力電極(ソース・ドレイン電極)
、7E* v 7E* ハエンハンスメント・モード素
子の出力tffl、 8D ハブプレッション・モード
素子のグー)t[制御電極)、8Eはエンハンスメント
・モード素子のゲート電極(制御電極)、Dはデプレッ
ション・モーt”素子s分、xaエンハンスメント・モ
ード素子部分をそれぞれ示す。In the figure, 1 is a semi-insulating GaAg substrate, 2 is a buffer layer, 5 is a non-doped (iaAp layer (channel layer), 4 is a semi-insulating GaAg substrate,
is the two-dimensional electron layer, 4' is the two-dimensional electron-deficient part, and 5 is the outer mold A.
ftGaAz layer (electron supply layer), 5' is non-doped J
nGaAz layer (this layer is not essential), 6 is a type of Ga
The Az layer (layer 31), 7D, , 7D, are the output electrodes (source/drain electrodes) of the depression mode device.
, 7E* v 7E* H is the output tffl of the enhancement mode device, 8D is the output of the enhancement mode device t [control electrode], 8E is the gate electrode (control electrode) of the enhancement mode device, D is the depletion mode device ``Element s'' and xa enhancement mode element portion are shown respectively.
本装置では、エンハンスメント・モード素子力ドライバ
・トランジスタ、デプレッション・モード素子が負荷ト
ランジスタとなってインバータを構成している。In this device, an enhancement mode element power driver transistor and a depletion mode element serve as load transistors to form an inverter.
デプレッション・モード素子に於けるゲート電極8Dの
下に在るs fflGJa層6及び% I! nLGg
Ap lは完全に空乏層化していなければならない。そ
して、そのようにする為には、金属・半導体間の障壁高
さ、ドナー濃度(#D)、それぞれの層の厚さに依って
決定されるものである。また、必要とされる閾値電圧1
’tkが決定されるとそれを襲型G@Az層6の厚さを
調節することに依1j得るようにしている。ところが、
この外型GaAs層6の厚さは製造工程中の種々表要因
で変動(多くの場合、薄くなる)し、その結果、デプレ
ッション・モード素子の閾値電圧Vtkにバラツキを生
じることになる。s fflGJa layer 6 and % I! under the gate electrode 8D in the depletion mode device. nLGg
Ap l must be completely depleted. In order to do so, it is determined depending on the barrier height between the metal and the semiconductor, the donor concentration (#D), and the thickness of each layer. Also, the required threshold voltage 1
Once 'tk is determined, it can be obtained by adjusting the thickness of the G@Az layer 6. However,
The thickness of the outer GaAs layer 6 varies (in many cases becomes thinner) due to various factors during the manufacturing process, resulting in variations in the threshold voltage Vtk of the depletion mode device.
エンハンスメント・モード素子に於いては、舊型GaA
z層6を選択的に除去し、無比された%型AAGaAz
層5上にゲート車種8Eを形成することに依シ、通常で
は、その下方に2次電子層が生成されないよう(:、そ
して、ゲート電極8E4;電圧を印加したときのみ2次
電子欠如部4′−二2次電子が現われるよう(二してエ
ンへンスメントQモードC:しているものであるから、
筒型GaAz履6の厚み如何は特性に影響を与えない。In enhancement mode devices, round-shaped GaA
By selectively removing the z layer 6, the % type AAGaAz
Depending on the formation of the gate type 8E on the layer 5, normally, a secondary electron layer is not generated below it (:, and the gate electrode 8E4; the secondary electron lacking portion 4 is formed only when a voltage is applied. '-2 Since the secondary electrons appear (second enhancement Q mode C:),
The thickness of the cylindrical GaAz shoe 6 does not affect the characteristics.
発明の間約
本発明は、電子供給層、遮蔽層の少なくともいずれか一
方砿;於ける不純物濃度、厚み等を制御すること(=依
って中性領域を残すよう(=シ、遮蔽層の厚みが変動し
てもデプレツVw1ン・モード素子の閾値電圧Vth
(二パツツキを生じることがないようにするものである
。During the invention The present invention involves controlling the impurity concentration, thickness, etc. of at least one of the electron supply layer and the shielding layer (=therefore, the thickness of the shielding layer is controlled so as to leave a neutral region). Even if Vw1 varies, the threshold voltage Vth of the depletion mode device
(This is to prevent double sticking from occurring.
発明の実施剖
先ず、前記したよう6二s rIiAlΩi#履5とs
mGgsAz層6、或いは、そのいずれか一方の層中6
二中性領域を残しておくと、S型0417層6に層厚変
動(減少)が若干存在しても、ノy・ドープGaAz層
(チャネル層)Sの表面電位C:は影響がないことを説
明する。First, as mentioned above, 62s rIiAlΩi# 5 and s
mGgsAz layer 6 or one of the layers 6
If the di-neutral region is left, even if there is a slight variation (decrease) in the layer thickness of the S-type 0417 layer 6, the surface potential C: of the no-doped GaAz layer (channel layer) S will not be affected. Explain.
今、%製ん幡aAzとノン・ドープ油からなる系につい
て検討することとし、第2図にエネル′°!・バンド・
ダイアグラムを示す。Now, we will consider a system consisting of % Seibata Az and non-doped oil, and Figure 2 shows the energy '°! ·band·
Show diagram.
第2図(ロ)に於いて、
do: s型AiGaAa層の厚さ
ND: ドナー濃度
dNO”中性領域の厚さ
ψ8゜二表面ポテンシャル
LD:空乏層
L□:界面空乏層
Eo:伝導帯
E、:フエルミ単位
をそれぞれ示し、第2図(b)に於いて、d:%型A1
.GmAp層の厚さ
”)II ”中性領域の厚さ
をそれぞれ示している。In Fig. 2 (b), do: Thickness of s-type AiGaAa layer ND: Donor concentration dNO'' Thickness of neutral region ψ8° Bisurface potential LD: Depletion layer L□: Interface depletion layer Eo: Conduction band E,: indicates the Fermi unit, and in Fig. 2(b), d:% type A1
.. Thickness of GmAp layer ")II" indicates the thickness of the neutral region, respectively.
do>dであればdMO> ”N1となるが、ψ1゜は
中性領域が存在する限シネ変である。If do>d, then dMO>''N1, but ψ1° is a limited cine variation in which a neutral region exists.
このような条件を満足するエピタキシャル成長層構造に
於いて、デプレッション・モード素子部なるべき部分の
チャネル層表面に例えとシリコン(Si)などのn型不
純物をイオン注入し、チャネル領域を形成する。このと
きの注入エネルギ、ドーズ量は閾値電圧Vihから見た
要請、エピタキシャル成長層の厚みから決定される。伺
、この場合、イオン注入に依ってAkGaAa層中のド
ナー濃度NDが影響を受けないようにする為には、注入
に依り形成されるチャネル領域のドナー濃度ND′がN
D〉ND′であることが必要であることは云うまでもな
い。In an epitaxially grown layer structure that satisfies these conditions, an n-type impurity such as silicon (Si) is ion-implanted into the surface of the channel layer in a portion that is to become a depletion mode element portion to form a channel region. The implantation energy and dose at this time are determined based on requirements from the perspective of the threshold voltage Vih and the thickness of the epitaxially grown layer. In this case, in order to prevent the donor concentration ND in the AkGaAa layer from being affected by ion implantation, the donor concentration ND' in the channel region formed by implantation must be N.
Needless to say, it is necessary that D>ND'.
第3図は本発明一実施例を説明する為のElD型半導体
装置の要部断面図でおシ、第1図に説明した部分と同部
分は同記号で指示しである。FIG. 3 is a sectional view of a main part of an ElD type semiconductor device for explaining one embodiment of the present invention, and the same parts as those explained in FIG. 1 are indicated by the same symbols.
本実施例が第1図従来例と相違する点は、デプレッショ
ン・モード素子部分りに於けるチャネル層6の表面に例
えばシリコン・イオンを注入してチャネル領域9が形成
されていること、出力端子7D□、7D8の下にはチャ
ネル領域9に達するコンタクト領域10..10.が形
成されていること、エンハンスメント・モード素子部分
Eと同様にn型GaAz層6を選択的に除去し、勝山さ
れたn型A1.GaAz層5上にゲート電極8Dが形成
されていることである。This embodiment is different from the conventional example shown in FIG. 1 in that a channel region 9 is formed by implanting, for example, silicon ions into the surface of the channel layer 6 in the depletion mode element portion, and that the output terminal Contact regions 10.7D and 7D8 below reach the channel region 9. .. 10. is formed.Similarly to the enhancement mode element portion E, the n-type GaAz layer 6 is selectively removed, and the Katsuyama n-type A1. A gate electrode 8D is formed on the GaAz layer 5.
第4図は、第5図に見られる装置を線A−A’で切断し
た場合のエネルギ・バンド・ダイアグラムであシ、記入
されている数字は第3図にそれぞれ対応している。FIG. 4 is an energy band diagram when the device shown in FIG. 5 is cut along line AA', and the numbers written correspond to those in FIG. 3, respectively.
第5図実施例に於けるデプレッション・モード素子部分
りに於ける動作は、ゲート電極8Dに負電圧を印加して
チャネル領域9の厚さく深さ)を変化させることに依シ
電流を変化させている。この動作は純粋なHEMTでは
なく、むしろ、絶縁ゲート型電界効果トランジスタに近
いものであるが、役割がインバータに於ける負荷である
から、前記のような構造にしてもE/Dインバータとし
てのスイッチング・スピードは殆んど低下しない。The operation of the depletion mode device in the embodiment shown in FIG. 5 depends on applying a negative voltage to the gate electrode 8D and changing the thickness and depth of the channel region 9 to change the current. ing. This operation is not a pure HEMT, but is rather similar to an insulated gate field effect transistor, but since its role is as a load in an inverter, even with the above structure, it is not necessary to perform switching as an E/D inverter.・Speed hardly decreases.
第6図に見られる装置の具体的数値例を次に挙げる。即
ち、
バッファ層2:厚き= 4000 CA〕ノン・ドープ
(AβGαAs或いはG+lJ#)GcLAI層(チャ
ネル層)3 :厚さ3ooo (7)ノン・ドープ
AIl、GaAz層5′:厚さ50 (j:lAllG
aAz層(を子供給層)5:厚さ= 350 CAEN
、=8X10” (CIK”)
不純物=シリコン
GaAs層(遮蔽層)6:厚さ= 500 (j:IN
p = 8 X 10” 〔am−’)不純物=シリコ
ン
であって、これ等はMBE成長法(温度680 [:℃
])で成長させる。また、前記シリコンのイオン注入条
件は、
ドーズ量: 2.5 X 10” (am−”)エネル
ギ: 59 (fgF)
アニール:温度= 750 C℃l 、時間=15〔分
〕である。また、1% IJ GaAz層6のエツチン
グは、エッチャントとして(CCftF* + Hg−
)混合ガスを用いた気相エツチング法に依シ行ない、エ
ネルギを0.18 (F/cm!:)とし、時間30〔
秒〕とすることに依り、エツチングは2型GaAz層6
と%WlAllGaAz層5との界面で自動的に停止す
る。A specific numerical example of the device shown in FIG. 6 is given below. That is, buffer layer 2: thickness = 4000 CA] non-doped (AβGαAs or G+lJ#) GcLAI layer (channel layer) 3: thickness 3ooo (7) non-doped AIl, GaAz layer 5': thickness 50 (j :lAllG
aAz layer (child supply layer) 5: Thickness = 350 CAEN
, = 8X10"(CIK") Impurity = Silicon GaAs layer (shielding layer) 6: Thickness = 500 (j: IN
p = 8 x 10"[am-') Impurity = silicon, these are grown by MBE growth method (temperature 680[:℃
]) to grow. The silicon ion implantation conditions are as follows: Dose: 2.5 x 10''(am-'') Energy: 59 (fgF) Annealing: Temperature = 750 Celsius, Time = 15 [minutes]. In addition, the 1% IJ GaAz layer 6 was etched using (CCftF* + Hg-
) Relying on the gas phase etching method using a mixed gas, the energy was set to 0.18 (F/cm!:), and the time was 30 [
2 seconds], the etching is performed on the type 2 GaAz layer 6.
It automatically stops at the interface between and %WlAllGaAz layer 5.
前記のような条件で装置を製造することに依り。By manufacturing the device under conditions such as those described above.
デプレツシプン拳モード素子(チャネル・ドープHEM
T )のvtihは−0,7(F)、エンハンスメント
・モード素子の7thは+0.1(V)を得た。Depressing fist mode element (channel doped HEM)
The vtih of T) was -0.7 (F), and the 7th of the enhancement mode element was +0.1 (V).
発明の効果
本発明に依れば、エンハンスメント・モードHEMTの
チャネル層表面にドナー不純物を導入してチャネル領域
を形成することに依りデプレツv”aン・モードHEM
Tとすることができ、そのデプレツVヨン・モードHE
MTはゲート電極(制御電極)を遮蔽層上に形成する必
要がないから、その部分を選択的に除去し、露出された
電子供給層上C;設けることができる。従って、デプレ
ッション・モードHEMTのVthはエンハンスメント
・モードHEMTと同様に均一化される。Effects of the Invention According to the present invention, by introducing donor impurities into the surface of the channel layer of an enhancement mode HEMT to form a channel region, a depletion mode HEM can be formed.
T can be its depletion V Yon mode HE
Since the MT does not require a gate electrode (control electrode) to be formed on the shielding layer, that portion can be selectively removed and the gate electrode (control electrode) can be provided on the exposed electron supply layer. Therefore, Vth of the depletion mode HEMT is equalized similarly to the enhancement mode HEMT.
本発明に於けるデプレツ、ziン・モードHEMTはそ
の構造から判るように純粋なHEMTではないからスイ
ッチング・スピードは若干低下するが、17/Dインバ
ータを構成する際は当然ロード・トランジスタとして使
用されるので、インバータ自体としてのスイッチング・
スピード低下は殆んど無い。As can be seen from its structure, the depleted, z-mode HEMT in the present invention is not a pure HEMT, so the switching speed is slightly lower, but it can naturally be used as a load transistor when configuring a 17/D inverter. Therefore, the switching and
There is almost no speed reduction.
第1図は従来例の要部断面図、第2図は電子供給層に中
性領域があるとチャネル層の表面ポテンシャルが変化し
ないことを説明する為のエネルギ・バンド・ダイアグラ
ム、第3図は本発明一実施例の要部断面図、第4図は第
3図の@ i−i’に依る切断面でのエネルギ・バンド
・ダイアグラムである。
図に於いて、1は牛絶縁性GaAz基板、2はバッファ
層、3はノン・ドープQaAz層(チャネル層)、4は
2次元電子層(高移動度電子層)、4′は2次元電子欠
如部、5は外型A1.GaAa層(電子供給層)、51
はノy−ドープA1=GaAz層、6は詔型GaAz層
(遮蔽m ’) 、7Z)it 7D鵞Fiテフレツシ
ヨン・モード素子の出力電極(ソース・ドレイン電極)
、7E、 、 7E。
ハエンハンスメント・モード素子の出力電極、子のゲー
ト電極(制御電極)、9はチャネル領域である。
特許出願人 富士通株式会社
代理人 弁理士 玉蟲久五部(外3名)Ml 図
第3Z
1/42Ii2I
(α)Figure 1 is a sectional view of the main part of the conventional example, Figure 2 is an energy band diagram to explain that the surface potential of the channel layer does not change if there is a neutral region in the electron supply layer, and Figure 3 is an energy band diagram. FIG. 4, which is a sectional view of a main part of an embodiment of the present invention, is an energy band diagram at a cross section taken along @ii' in FIG. 3. In the figure, 1 is an insulating GaAz substrate, 2 is a buffer layer, 3 is a non-doped QaAz layer (channel layer), 4 is a two-dimensional electron layer (high mobility electron layer), and 4' is a two-dimensional electron layer. The missing part, 5, is the outer form A1. GaAa layer (electron supply layer), 51
is the no-y-doped A1=GaAz layer, 6 is the shielded GaAz layer (shielding m'), 7Z) it is the output electrode (source/drain electrode) of the 7D Fi tension mode device.
, 7E, , 7E. 1. An output electrode of the enhancement mode element, a secondary gate electrode (control electrode), and 9 a channel region. Patent applicant Fujitsu Ltd. agent Patent attorney Gobe Tamamushi (3 others) Ml Figure 3Z 1/42Ii2I (α)
Claims (1)
表面に選択的にドナー不純物が導入されてチャネル領域
が形成された部分を有するチャネル層と、該チャネル層
上に形成され前記チャネル層を構成する半導体が有する
電子親和力よシ小さ瞠電子親和力を有しN型にドープさ
れた半導体の単結晶層よシなる電子供給層と、該電子供
給層上に形成され前記電子供給層を構成する半導体が有
する電子親和力よシ大きく前記チャネル層を構成する半
導体が有する電子親和力と同等又はそれ以下でおる電子
親和力を有し%型にドープされた半導体の単結晶層よシ
なる遮蔽層とを備え、前記チャネル層に於けるチャネル
領域を持つ部分及び持たない部分のそれぞれに対応する
前記遮蔽層の一部領域を除去して露出させた前記電子供
給層上に設けられた制御電極と、前記遮蔽層上に前記制
御電極を挾んで互に対向する領域に設けられた一対の出
力電極とを有してなる素子が構成され、前記チャネル領
域を持つ素子がデプレッシ目ン・モード特性を、前記チ
ャネル領域を持たない素子がエンへンスメント・モード
特性をそれぞれ有してなることを特徴とする半導体装置
。A channel layer having a portion where a channel region is formed by selectively introducing donor impurities into the surface of a semiconductor single crystal layer formed on a semi-insulating substrate; an electron supply layer made of a single crystal layer of an N-type doped semiconductor having an electron affinity smaller than that of the semiconductor constituting the channel layer; and an electron supply layer formed on the electron supply layer. A shielding layer made of a single crystal layer of a doped semiconductor having an electron affinity greater than that of the semiconductor constituting the channel layer and equal to or less than the electron affinity of the semiconductor constituting the channel layer. and a control electrode provided on the electron supply layer exposed by removing a partial region of the shielding layer corresponding to a portion of the channel layer having a channel region and a portion not having a channel region, respectively. , a pair of output electrodes are provided on the shielding layer in opposing regions sandwiching the control electrode, and the device having the channel region exhibits depressive mode characteristics. , wherein each of the elements without a channel region has enhancement mode characteristics.
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JPS6358378B2 JPS6358378B2 (en) | 1988-11-15 |
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1982
- 1982-02-25 JP JP2925982A patent/JPS58147078A/en active Granted
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JPS6358378B2 (en) | 1988-11-15 |
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