JPS58196057A - 半導体装置 - 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】 （ａ）　　発明の技術分野 本発明は半導体装置に関する。特に、電子親和力が比較
的大きくエネルギバンドギャップ（禁止帯幅）が比較的
小さい半導体よりなる単結晶層（以下チャンネル層とい
う）とこのチャンネル層を構成している半導体より電子
親和力が小さくエネルギバンドギャップが大きい半導体
が浅いドナー不純物を含んでなる単結晶層（以下これを
二次元電子ガス供給層という）との間に互いに結晶格子
整合の上形成されたヘテロ接合の近傍に蓄積される電子
群（以下二次元電子ガスという）の有する高い電子移動
度を利用して、速い動作速度を実現する一群の半導体装
置の改良・拡張及び光半導体素子との複合化（モノリシ
ック集積回路装置化）に関する。

−）　従来技術と問題点 半導体装置の動作速度が究極において電子・正孔の移動
度に依存し、且つ、制限されることは周知である。しか
し一方、電、子・正孔の移動度は物質によって一定して
いることも周知である。ところが、電子親和力とエネル
ギバンドギャップとに差を有する２種の物質特に化合物
半導体例えばアルミニュウムガリヱウム砒素（Ａｊ！ｘ
Ｇａ、、Ａｓの単結晶層とガリュウム砒素（ＧａＡｓ）
の単結晶層との間に良好なヘテロ接合を形成すると、こ
の界面直近のＱ　ａ　Ａ　ｓ　＋即ち電子親和力が大き
くエネルギバンドギャップが小さい半導体内にエネルギ
ダイアダラムの谷が出来、Ａ　Ｉ　ＸＧ　ａ　Ｈ＜　Ａ
　ＩＪ　＋即ち電子親和力が小さくエネルギバンドギャ
ップが大きい半導体から移動してきた電子群がこのエネ
ルギダイアダラムの谷に蓄積して二次元電子ガスを発生
し、この二次元電子ガスはイオン化したドナー不純物と
空間的に分離しているため、不純物散乱による影響を受
けることが少なく、電子移動度がきわめて大きくなるこ
とが知られている。

また、この二次元電子ガスは上記の例においてはＡｊＸ
Ｇａｌ−ｘＡｓ、一般には電子親和力が小さくエネルギ
バンドギャップの大きい半導体即ち二次元電子ガス供給
層から供給されるので、二次元電子ガス供給層を構成す
る半導体は適度の濃度に浅いドナー不純物を含有してい
ることが望ましく、一方高電子移動度が不純物散乱によ
る影響の排除の結果にあるから、上記の例においてはＱ
　ａ　Ａ　ｓ　＋一般には電子親和力が大きくエネルギ
バンドギャップの小さい半導体即ちチャンネル層を構成
する半導体はノンドープであることが望ましい。

このような構造では格子散乱による影響が低下する温度
範囲、具体的には１００　（’Ｋ　）以下の温度範囲で
電子移動度が驚異的に向上することが確認されている。

この二次元電子ガスを発生し高電子移動度を実現し、動
作速度の速い１群の半導体装置、即ち高移動度半導体装
置（以下これをＨＥＭＴと略記する）を製作し得る半導
体の組合せは上記に限ることなく、ＧａＡａとゲルマニ
ュウム（Ｇｏ）、カドミュウムテルル（ＣｄＴｅ）とイ
ンジュウムアンチモン（ＩｎＳｂ）、ガリュウムアンチ
モン（ＱａＳｂ）とインジウム砒素（ＩｎＡｓ）等があ
り、本発明の出願人は、この効果を利用して動作速度の
改善された各種の半導体装置に係る発明を完成し、既に
多数の特許出願をなしている（特願昭５４−１７１０２
６号、５４−１７１０２７号等）。

ところで、この効果を有する半導体の組合せは上記に限
ることはない筈であり、新規な組合せの発見が望まれて
おり、特にチャンネル層を構成する半導体の基礎吸収端
波長が長く、現時、光通信技術において好んで使用され
ている波長が１．５〔μｍ〕帯用光用光半導体装置ノリ
シンク集積回路装置化し得る高移動度半導体装置の発明
が望まれていた。

（Ｃ）　　発明の目的 本発明の目的はこれらの要請に応えるものであり、ヘテ
ロ接合ＨＥＭＴの電子移動度を更に改善することと、１
．５〔μｍ〕帯用光用光半導体装置ノリシック集積回路
装置化し得る半導体材料の組合せを提供゛することにあ
る。

（ｄ）　　発明の構成 本発明の特徴は、電子親和力が比較的大きくエネルギバ
ンドギャップが比較的小さい高抵抗率単結晶半導体より
なるチャンネル層と、該チャンネル層を構成する半導体
より電子親和力が小さくエネルギバンドギャップが大き
いｎ型単結晶半導体層よりなる二次元電子ガス供給層と
の間に形成されるヘテロ接合を含む半導体装置において
、前記チャンネル層をインジウムガリュウム砒素をもっ
て形成し、前記二次元電子ガス供給層をインジウム燐を
もって形成したことにある。

（ａｌ　　発明の実施例 以下本発明の理論的根拠と好ましい実施例について説明
し、本発明の構成と特有の効果とを更に明らかにする。

まず、上記の二次元電子ガスが有効に発生する条件を整
理すると下記のとおりとなる。

■　へテロ接合を構成する２つの半導体材料間の格子定
数の不整合は、０．１〔％〕以下であること。

■　２つの半導体材料間に禁止帯幅の差が十分にあるこ
と。

■　２つの半導体材料間の電子親和力χに適当な差があ
り、且つ、狭禁止帯幅材料（チャンネル層を構成する半
導体）の゛電子親和力は広禁止帯幅材料（二次元電子ガ
ス供給層を構成する半導体）のそれより大きいこと。

■　比較的浅いドナーレベル（数１０　（ｍ　ｅＶ）以
下）を形成し得ること。

■　狭禁止帯幅材料の電子移動度が大きいこと。

等である。

これらの条件を充足し、ＨＥＭＴを製作し得る多数の半
導体の組合せについて種々の検討を実施した結果、Ｉｎ
ＰおよびＩｎＸＧａ、Ａｓとの組合せが上記目的を満た
すものとの着想を得、更に、理論的並びに実験的にその
確認をなした。

まず、理論的な面から述べると、ＩｎＰとＩｎＸＧａ、
、ｘＡｓとの間の結晶格子不整合を０．１〔％〕以下に
することは組成比Ｘ値を０．５７或いは０．６５程度と
することにより可能である。　ＩｎＰの格子定数が凡そ
５．８７−（人〕であるのに対し、Ｉ　ｎｘｃａｔ−Ｘ
Ａ３の格子定数は、Ｘ値が前者の場合に凡そ５．８７ｃ
人〕、後者の場合に凡そ５．８８　［人〕である。一方
エネルギバンドギャップは、ＩｎＰが凡そ１．２７　（
ｅＶ）であるのに対し、ｌｎ、Ｑａ、、Ａｓは上記Ｘ値
に対し、それぞれ０．８２　（ｅＶ）　０．７３　（ｅ
Ｖ）であって、十分な差を有し、第２の条件を満足する
。次に電子親和力の値は、ＩｎＰが凡そ４．３８　（ｅ
Ｖ）であるのに対し、Ｉ　ｎ　Ｘ　Ｇ　ａ　ｈｘＡ　８
のそれは上記Ｘ値のそれぞれに対し、凡そ４．５０　（
ｅＶ）　４．６０　（ｅν〕であって、ＨＥＭＴ作成に
必要な差を有し、第３の条件を満足する。第４に、Ｉｎ
Ｐに錫（Ｓ　ｎ）をドープした場合十分に浅いドナーレ
ベルが実現出来る。第５にＩ　ｎ、ＧａうＡｓ（狭禁止
帯幅材料）の電子移動度は不純物濃度が〜１０”（Ｃｍ
’３程度で凡そ１５．０００　（ｃｍ’／Ｖ　−ｓ　ｅ
　ｃ）　　（但し室温において）で、ＧａＡｓよりも大
きい電子移動度を有する。従ってこれら２種の・半導体
の界面には十分な二次元電子ガスが発生する。

上記２種の半導体の組合せからなる半導体装置は、従来
の例えばＧａＡｓ及び／ｊ！ＸＧａ、−ＨＡｓの組合せ
からなる半導体装置に比較し、格段に高電子移動度の半
導体装置を実現することが可能である。更に、ＩｎｙＧ
ａ、Ａｓの基礎吸収端波長は１．５〜１．７〔μｍ〕で
あるから、本発明の目的の一つである１、５〔μｍ〕波
帯域の光半導体装置と、高動作速度の電界効果トランジ
スタとをモノリシックに一体の結晶層として製作するこ
とが可能である。

次に上記の理論的確認に対応する実験的確認について、
上記の半導体の組合せを用いて試作した電界効果トラン
ジスタのご実施例をその製造工程とともに略述する。

第１の工程は、分子線エピタキシアル成長法を使用して
、絶縁性または半絶縁性のＩｎＰ基板に、不純物を含有
しない（ノンドープ）ＩｎｘＧａｈｘＡｓ（但しｘ　＝
　０．５１〜０．６５）よりなる単結晶層を厚さ約０．
１〔μｍ〕程度に成長させてこれをチャンネル層とし、
そのチャンネル層の上に、ｎ型の導電型を有する不純物
である錫（Ｓｎ）を１０＋ｌ＋、＋１１〔個／Ｃ♂〕程
度の濃度に含有するＩｎＰよりなる単結晶層を厚さ約０
．１〔μｍ〕以上に成長させ、これを二次元電子ガス供
給層とする。

第２の工程は、前工程において形成された二次元電子ガ
ス供給層上の左右の領域、即ち通常の電界効果トランジ
スタのソース電極、ドレイン電極が配設される領域に、
金（Ａｕ）とシリコン（Ｓｌ）よりなる合金層をスパッ
タ法等で被着させてオーミンク接触となし、これらをソ
ース電極、ドレイン電極とする。

第３の工程は、二次元電子ガス供給層上の中央領域、Ｉ
ＩＩち通常の電界効果トランジスタのゲート電極が配設
される多結晶シリコンに、金（Ａｕ）を蒸着してシ四ッ
トキ接触を形成し、これをゲート電極とする。

この工程完了後の状態を図に示す。同図において、ｌは
ＩｎＰ基板、２はノンドープのｌ　ｎ、、、ｃ　ａｏ、
’ｔりＡｓ（またはＩ　ｎ６４ｇＧ　ａｏｘＡ　ｓ　）
よりなるチャンネル層、３は高移動度の二次元電子ガス
、４はｎ型１ｎＰよりなる二次元電子ガス供給層、５は
ゲート電極、６及び７はそれぞれソース電極及びドレイ
ン電極である。

上記の工程によって製作された本実施例が負の伝導変換
機能を有し、ノーマリオン即ちディプレッシッン型の電
界効果トランジスタとして正常に動作したことは言うま
でもなく、従来のＡＮｘＧａよＡｓ及びＧａＡｓよりな
るＨＥＭＴより更に動作速度を高速化することが出来た
。しかもこの組合せにおけるチャンネル層２はＩ　ｎＸ
ＧａうＡ３であり、その基礎吸収端は１．５〜１．７〔
μｍ〕であるから、この半導体の組合せを利用して、光
半導体素子と電界効果トランジスタとを一体の結晶層と
して製作すれば、光通信技術において多く使用される１
、５〔μｍ〕波帯の波長域で使用し得る高性能な集積回
路装置を製作し得ることは明らかである。

（ｆ）　　発明の詳細 な説明した如く本発明によ′れば、高い動作速度を有す
る半導体装置、例えば電界効果トランジスタ等が得られ
、しかも光通信技術において１．５〔μｍ〕波帯域で使
用される半導体レーザ等の光半導体素子と一体化した集
積回路装置を作成することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の一実施例を示す斜視図であって、１はＩｎ
Ｐ基板、２はノンドープのＩ　ｎｇ＋ｊ３　Ｇ　ａａｕ
’ｒ　ＡＳ　（またはｌ　ｎＱ蒔Ｇ　ａ６．蓼Ａｓ）よ
りなるチャンネル層、３は高移動度の二次元電子ガス、
４はｎ型ＩｎＰよりなる二次元電子ガス供給層、５はゲ
ー　計電極、６及び７はそれぞれソース電極及びドレイ
ン電極を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 電子親和力が比較的大きくエネルギバンドギャップが比
   較的小さい高抵抗率単結晶半導体よりなるチャンネル層
   と、該チャンネル層を構成する半導体より電子親和力が
   小さくエネルギバンドギャップが大きいｎ型単結晶半導
   体層よりなる二次元電子ガス供給層との間に形成される
   ヘテロ接合を含む半導体装置において、前記チャンネル
   層をインジウムガリエウム砒素をもって形成し、前記二
   次元電子ガス供給層をインジウム燐をもって形成したこ
   とを特徴とする半導体装置。