JPS58215077A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPS58215077A
JPS58215077A JP9808882A JP9808882A JPS58215077A JP S58215077 A JPS58215077 A JP S58215077A JP 9808882 A JP9808882 A JP 9808882A JP 9808882 A JP9808882 A JP 9808882A JP S58215077 A JPS58215077 A JP S58215077A
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JP
Japan
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layer
gate electrode
depletion layer
impurity
drain current
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JP9808882A
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JPH0359579B2 (ja
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Toshio Baba
寿夫 馬場
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NEC Corp
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NEC Corp
Nippon Electric Co Ltd
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof  ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/06Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
    • H01L29/10Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions with semiconductor regions connected to an electrode not carrying current to be rectified, amplified or switched and such electrode being part of a semiconductor device which comprises three or more electrodes
    • H01L29/1025Channel region of field-effect devices
    • H01L29/1029Channel region of field-effect devices of field-effect transistors

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】 本発明は半導体装置、特に多数のしきい値を持つ新規な
半導体装置に関するものである。
従来使用されている能動半導体装置はすべて単一のしき
い値金持つものであシ、演算処理の高速化全月差し、こ
れら装置の動作の高速化が計られている。高速動作半導
体装置の1つとしてG a A 5IvlES FET
(Metal Sem1conductor Fiel
dEffect Transistor )があジ、高
速化及び集積化をすべく素子寸法の縮小が計られている
。演算処理の高速化を計る他の方法としては、2進法の
替りに3進法以上の論理回路を栴成すれはよい。
この実損のためには、多数のしきい値を持つ能動半導体
装置が必要である。
第1図に従来構造のLIES  FET  の概略断面
図を示す。第1図において、1は半絶縁性半導体基板、
2は動作層とする付べく該基板lにエピタキシャル成長
して形成した一導電型を有する不at+、物含有佃域、
3は該動作層2と7ヨツトキ接触を形成するゲート電極
、4は該ゲート電極3下に広がる空乏層、5,6は前記
動作N2とオーミック接触を形成するソース電極、ドレ
イン電極である。
次に動作層2にn型半導体を用いることとし、このME
S FE’l’の動作を説、明する。ソース電極5を零
電位とし、ドレイン電極、極6には正電圧が印加されて
いる。いま、ゲート電極3の電圧がOVのとき、空乏層
4が半絶縁性半導体基板1壕で広がっていないとすると
、空乏層4と半絶縁性半導体基板lとの間にはキャリア
(電子)が通過できるチャネルが形成されており、キャ
リアはソース電極5からチャネルを通りドレイン電極6
に達することができ、ドレイン電流が流れる。ゲート電
極3に負電圧を印加すると空乏層4は広が9チヤネルは
挟まり、ドレイン電流は減少する。そして空乏層4が半
絶縁性半導体基板1まで達するとチャネルは消滅し、ド
レイン電流は流、れなくなる。このときのゲート電圧が
しきい値電圧である。なおゲート電極3に正電圧を印加
すると空乏層4は狭まpチャネルが広がってドレイン電
流が増大するが、あまり高い正電圧を印加するとゲート
電流が流れるようになってしまう。
第2図にゲート市、圧に対するドレイン軍、流の特性の
模式図を示す。図において、Vcはゲート電圧、IDは
ドレイン電流、VTはしきい値電圧である。しきい値電
圧Vr以下で1.ドレイン電流II)は流れず、しきい
値電圧VT以上でドレイン電流IDが流れる。従って、
ドレイン電流IDの状態としては、しきい値電圧を境に
して大きく2つに分けられる。すなわちドレイン電流が
流れない状態と流れる状態である。この2つの状態を用
いて2進法の論理回路が構成される訳であるが、3進法
以上の論理回路の構成には不適当である。
この場合ドレイン電流■Dが急激に変わるような第2.
第3のしきい値電圧が存在すれは3進法以上の論理回路
の構成に極めて有効である。
本発明の目的は、従来の能動半導体装置にない検数のし
きい値を持ち、3進数以上の論理演算回路に使用可能な
新しい構造を持つ新規な半導体装置を提供することにあ
る。
本発明によれば、半導体基板上に高濃度に不純物を含有
した第1の層と、該第1の層と同一導電型の低濃度に不
Fp物を含むかまたは不純物を含まない第2の層とから
なる混成層を複数個積層した動作層と、該動作層表面に
設けられたゲート電極と、該ゲート電極をはさんで前記
動作層とオーミック接触を形成する一対の電極とを含ん
で構成される。
すなわち本発明は、高濃度不純物含有層と低濃度不純物
含有層とでは空乏層の広がりの程度が異なることを利用
して、ゲート電圧に対するドレイン電流が階段状に変わ
る新規な半導体装置を提供するものである。
以下本発明について実施例を示す図面を参照して詳細に
説明する。
第3図は本発明の一実施例を示す断面模式図である。第
3図において第1図と同じ番号のものは第1図と同等物
で同一機能を果すものである。21は一導電型を有する
高濃度不純物含有層、22は該高濃度不純物含有層21
と同一導電型を有する低濃度不純物含有層、23はゲー
ト電極3とショットキ接合を形成でき、ソース@極5お
よびドレイン電極6とオーミック接触を形成できる前記
高濃度不純物含有層21と同一導電型の不純物含有層で
るる。
高濃度不純物含有〜21の不純@濃度はI X 101
8α−3以上で、該層の厚さはxooA以下であること
が望ましい。低濃度不純物含有層22の不純物濃度は1
×1016cnL  以下で、該層の厚さは数百A以上
であることが望ましい。不純物含有層23の不純物濃度
は1×1017ctrL−3程度で、該層の厚さは数百
へ程度が望ましい。これらの層の形成にはエピタキシャ
ル成長技術を用いて行なうのが91しく、MBE (M
olecular Beam Epi taxy) 、
 MO−CVD (Metal Organic Ch
emicnl Vapor Deposition)等
によりこの構造を実現することができる。
第3図に示した本発明の一実施例の製造方法について、
半導体としてGaAs ’Fr:用い、n型の動作層を
例にとり説明する。半P!縁性G a A s基板に、
甘ず5 X 1018の一3程度のn型不純物を含有し
たGaAs b 2 l a全50A程度エビタキンヤ
ル成長させ、続いて1 ×10”CTL−”程度のn型
不純物を含有したGaAs層22aを200A程度エビ
タキンヤル成長させる。この不純物類度の異なる2層を
父方に3回成長させた後、5X1o17C1rL−3程
f (7) n fJi不純物を含有する最上部のGa
As層23を300A栓度エピタキシャル成長させる。
こ11により1050八程度の動作層が形成されること
になる。次に最上部の(l)aAs 層23と7ヨツト
キ接合を作る金属を蒸着した後、パターニングによりゲ
ート電極3を形成する。さらに、レジスト全全面に塗布
してソース電極およびドレイン電極を形成するべく当該
領域のレジストを選択除去し、最上部のG aA s層
23とオーミック接触を形成する金属を蒸着した後リフ
トオフ法によりソース電極5およびドレイン電j6を形
成する。以上の型造方法によりショットキ接合を有する
本発明による半導体装『が実現できる。
次に本発明による半導体装置の動作を、W3図に示した
構造を例にとジ説明する。熱平衡状態ではショットキ接
合の空乏N4の端部は第3図に示すようにGaAsp面
に一番近い高濃度不純物含有〜21Cにあるとする。冒
濃反不純物含有層21cの電子は低濃度不純物含有〜2
2Cへも拡散して広がっており、この2層間の電子m1
度の差は小さくなっている。ソース電極5全苓電位とし
ドレイン電極6を正電位としておぐと、ゲーFN圧によ
Qドレイン電流を制御することができる。
第4図にゲート電圧−ドレイン電流特性の柾弐図を示す
。図において、第2図と同じ記号は第2図と同一物を示
し、■、は第゛3図のせ態に対尼するケート電圧、VT
I 、VT2 、VT3はしきい値電圧を示している。
キャリアはソース電極5から空乏層4の端部と半絶縁性
基板lとの間のチャイルを通り、ドレイン電極6に達す
る。V C= V、 の場合、空乏層端はG aA s
表面に一番近い高さ度不純物含有層2IC内にあるので
、ドレイン電流が流れている。
このゲート電圧よりゲート電圧を負側に犬きくしてゆく
と、空乏層4の端部は広がる傾向にあるが、空乏層端が
高濃度不純物層21C内にある坤1合は、空乏層の広が
り方が小さいため、ドレイン電流の変化は小さい。一方
、空乏層端が低a=不純物層22b内に入り込むと、空
乏層の広カニり方が犬きくなり、ドレイン電流は犬きく
変化する。さらに空乏層端が再び高一度不純物含有層2
1bに入り込むと、ドレイン電流の変化は小さくなる。
この移り変わるゲート電圧がVT2である。さらに負電
圧音大きくしてゆくと、同様にしてVTIが現われ、空
乏層端が半絶縁性基板1に達するとドレイン電流が流れ
なくなる。ゲート電圧を鳩より正側に犬すくシていって
も同様にしてVT3が現われる。このように本発明半導
体装置では多数のしきい値が存在することとなる。
第5図は本発明の他の実施例を示す断面模式図である。
第5図において第1図および第3図と同じ番号のものは
第1図および第3図と同等物で同一機能を果す。7は高
濃度不純物含有層21とは異る第2の導電型を有する高
濃度不純物含有層、31は該不純物含有層7とオーミッ
ク接触する金属電極である。この不純物含有層7と金属
電極31でゲート電極を形成している。第2の導電型を
有する不純物含有層7は、牛導体表亜からの不純物の拡
散あるいは不純物のイオン注入により実現できる。この
構造においては空乏層4はp−n接合によるものであり
、第3図のショットキ接合によるものよシ障壁が高くな
ジ、ゲート電極に汀より高い順方向電圧が印加できる。
本実施例の動作原理および動作上の特徴は第3図で示し
た本発明の実施例]と同一である。
第6図は本発明の他の実施例を示すlllT面俟式図で
ある。第6図において第1図および第3図と同じ番号の
ものは第1図および第3図とI″i′1i′1等物能を
果す。8は絶縁膜、32は金属または導電性を有する半
導体からなるケート電極である。
絶縁膜8は半導体との界面において界面準位が少なくP
!縁性に優れていることが必要であり、酸化シリコン、
幀や窒化シリコン膜が望ましい。この構造においてはゲ
ート重臣32には絶縁膜の絶縁破壊に至るまでの高い電
圧が印加できるが、空乏層4は不純物含有層23表面に
反転層が形成されるとそれ以上広ズ・;らなくなるので
、空乏層4の広がる範囲は第3fRi、第5図に示すも
のより狭い。本実施例の記I作原理および動作上の特徴
は第3図で示した本発明の実施例と同一である。
以上、本発明による半導体装置の構造および動作につい
てnチャネルを用いて説明してきたが、Pチャネルにし
た壜台も同様に笑玩でさる。またソース電極およびドレ
イン電極の下に半絶縁性基板lまで達する高濃度不純物
含有層21と同一導電型の昼濃度不純物物域を拡散ある
い(dイオン注入法等の手段で形成しても良いことは明
らかである。さらに、高濃度不純物含有層21と低δ度
不純物含有層22との組の重ねる段数は目的に合わせ何
段でも良いことも明−らかである。
甘た本発明による半導体装置においては、キャリアの大
部分は厚い不純物濃度の低い低a度不鯉物層22を辿る
ので、不測物散乱の影−が少なく、キャリアの移動度は
高い。したがって、本発明による半導体装置は高速動作
にも適している。
本発明によると、従来の能動半導体装置にない複数のし
きい値を持ち、3進数以上の論理菌算回路に使用可能な
新しい構造を持つ半ぷ体@置が得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来のhiEs PETの断面図、第2図は従
来のMB2  FETにおり−るゲート%圧−ドレイン
電流特性の模式図、第3図、第5図、第6図は本発明の
実施例の断面図、第4図は第3図に示す実施例のものの
ゲート電圧−ドレイン電流特性の模式図である。 ■・・・・・・半絶縁性基板、2・・・・・・−導電型
を有する動作層、吐・・・・・ゲート電極、4・・・・
・・空乏層、5・・・・・・ソース電極、6・・・−・
ドレイン電極、7・・・・・後記の高濃度不純物含有層
21とは異なる第2の4電型を有する高濃度不純物含有
層、訃・・・・・絶縁膜、21・・・・・・−導電型を
有する高(aiK不純物含有層、22・・・・・・該高
濃度不純物含有層21と同−a電型を有する低濃度不純
物含有層、23・・・・・・前記高ぞψ度不純物含有層
21と同一導電型を有する不純物含有層、31・・・・
・・金属電極、32・・・・・・ゲート電極。 ゛、3〕 ど″ 第 Z 図 / 第Z図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 (1)半導体基板上に高濃度に不純物全含有した第1の
    層と、該第1の層と同一導電型の低濃度に不純物を含む
    かまたは不純物を含まない第2の層とからなる混成層を
    複数個積層した動作層と、該動作層表面に設けられたゲ
    ート電極と、該ゲート電極をはさんで前記動作層とオー
    ミック接触全形成する一対の電極とを含むことを%徴と
    する半導体装置。 (2)ゲート電極が動作層との間に7ヨツトキ接合を形
    成する金属からなる特許請求の範囲第(1)項記載の半
    導体装置。 り8)  ゲート電極が前記高a度に不純物を含有した
    層とは異なる第2の導電型を有する高濃度不純物含有層
    と該高濃度不純物含有層上に設けた金属とからなる特許
    請求の範囲第(1)項に記載の半導体装置。 (4)ゲート電極が動作層表面に、ie緑層を介して設
    けられた特許請求の範囲第(1)項に記載の半導体装置
JP9808882A 1982-06-08 1982-06-08 半導体装置 Granted JPS58215077A (ja)

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