JPS5851574A - Semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device

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JPS5851574A
JPS5851574A JP14998981A JP14998981A JPS5851574A JP S5851574 A JPS5851574 A JP S5851574A JP 14998981 A JP14998981 A JP 14998981A JP 14998981 A JP14998981 A JP 14998981A JP S5851574 A JPS5851574 A JP S5851574A
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electron
semiconductor
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Takashi Mimura
高志 三村
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Fujitsu Ltd
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Fujitsu Ltd
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    • 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
    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/76Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/772Field effect transistors
    • H01L29/778Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface

Abstract

PURPOSE:To improve the electron mobility in a semiconductor device by inducing electron group in the vicinity of a hetero boundary between a buffer layer and an electron running layer and operating the electron group as a function of conductive medium. CONSTITUTION:An AlGaAs single crystal layer (buffer layer) 3 having no impurity is formed on a GaAs single crystal layer (electron running layer) 2 having less impurity content, an N type GaAs single crystal layer (control layer) 4 is further formed, and electrodes are formed on the layer 4. The material of the layer 4, the density of an impurity and the thickness of the layer are selected to the optimum conditions, thereby setting the surface potential between the layers 2 and 3 in the thermally balances state to OV, a positive voltage is applied to the gate, thereby inducing electron group (secondary electron gas) in the vicinity of the hetero boundary between the layers 3 and 4, and a high electron mobility transistor which operates as an enhancement type is formed with the electron group as conductive medium.

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、半導体装置に関する。詳しくは、2種又Fi
3種のエネルギーギャップの異なる半導体よりなる組み
合わせ層構造を有する半導体装置−において、不純物含
有量の少ない半導体層間のヘテ口接合界面近傍に電子群
(二次元電子ガス)を誘発させてこの電子群を導電媒体
とすることとし、この電子群の電子移動度が不純物散乱
に影蕃されないという性質を利用して不純物散乱による
効果が電子移動度の増大を阻むこととなるような低温例
えば77°Kにおいて、極めて大きな電子移動度を実現
することを特徴とする高電子移動度トランジスタの範鴫
に属する、新規なアイデアにもとづくエンハンスメント
型トランジスタに関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a semiconductor device. For more information, please refer to 2 types of Fi
In a semiconductor device having a combined layer structure consisting of three types of semiconductors with different energy gaps, a group of electrons (two-dimensional electron gas) is induced near the interface between the semiconductor layers with low impurity content. By using the property that the electron mobility of this group of electrons is not affected by impurity scattering, it is used as a conductive medium at a low temperature such as 77°K where the effect of impurity scattering prevents the increase in electron mobility. This invention relates to an enhancement type transistor based on a novel idea, which belongs to the category of high electron mobility transistors, which are characterized by realizing extremely high electron mobility.

本発明の発明者は、電子親和力の相異なる2種の半導体
例えばフル建工具つムガリエウム砒素(ムjGaAs 
)と砒化ガリ凰つム(oaAs)とを接合することによ
り形成される一つのへテロ接合の近傍に発生する電子蓄
積層(二次元電子ガス)の電子面濃度を制御電極に印加
される電圧によって制御して、制御電極を挾んフ設けら
れた1対の入・出力電極間に上記の電子蓄積層(二次元
電子ガス)によって形成される導電路のインピーダンス
を制御する能動的半導体装置の発明を完成し特許出願(
特願昭55−82035号)を出願している。しかし、
この特許出願にかかる能動的半導体装置においては、電
子親和力の小さな半導体すなわちエネルギーギャップの
大きな半導体(上例においてはアル建二エウムガリ為つ
ム砒素ム/GaAs)をN型としていたため、電子親和
力の大きな半導体すなわちエネルギーギャップの小さな
半導体(上例においては砒化ガリ孤つムGaAs)にX
型の不純物が拡散して、電子蓄積層(二次元電子ガス)
の電子移動度の向上にもおのずと限界があった。
The inventor of the present invention has discovered that two types of semiconductors with different electron affinities, such as full construction tool and GaAs
) and gallium arsenide (oaAs). An active semiconductor device which controls the impedance of a conductive path formed by the electron storage layer (two-dimensional electron gas) between a pair of input and output electrodes sandwiching a control electrode. Complete the invention and apply for a patent (
Patent Application No. 1982-82035) has been filed. but,
In the active semiconductor device of this patent application, the semiconductor with low electron affinity, that is, the semiconductor with a large energy gap (in the above example, Al-densium-GaAs/GaAs) is N-type. A large semiconductor, that is, a semiconductor with a small energy gap (in the above example, GaAs with arsenide)
The type impurity diffuses and forms an electron storage layer (two-dimensional electron gas).
There was naturally a limit to the improvement of electron mobility.

本発明の第1の目的は、2種又Fi3棟のエネルギーギ
ャップの異なる半導体を組み合わせて形成されるヘテロ
界面近傍に、電子群(二次元電子ガス)を誘発させてこ
の電子群を導電媒体とする高電子移動度トランジスタに
おいて、導電媒体を形成する半導体層と直接隣接する半
導体層には不純物なP−プする必要がなく、従来に比し
更に電子移動度の向上した新規な層構造を有する高電子
移動度トランジスタを提供することにある。
The first object of the present invention is to induce a group of electrons (two-dimensional electron gas) near the hetero interface formed by combining semiconductors of two types or three types of Fi with different energy gaps, and to convert this group of electrons into a conductive medium. In high electron mobility transistors, there is no need to apply impurities to the semiconductor layer directly adjacent to the semiconductor layer forming the conductive medium, and the transistor has a novel layer structure with improved electron mobility compared to conventional transistors. An object of the present invention is to provide a high electron mobility transistor.

本発明の第2の目的は、上記の構成を有する高電子移動
度トランジスタにおいて、その特性特ニ♂ンチオフ電圧
を正確に制御なしうる高電子移動度トランジスタを提供
することにある。
A second object of the present invention is to provide a high electron mobility transistor having the above-mentioned structure, whose characteristic characteristic point-off voltage can be accurately controlled.

本発明の第3の目的は、上記の構成を有する高電子移動
度トランジスタにおいて、制御電極(ソース・ドレイン
電極)のコンタクト抵抗が低く、伝達コンダクタンスの
すぐれた高電子移動度トランジスタを提供することにあ
る。
A third object of the present invention is to provide a high electron mobility transistor having the above structure, in which the contact resistance of the control electrode (source/drain electrode) is low and the transfer conductance is excellent. be.

本発明の第4の目的は、上記の構成を有する高電子移動
度トランジスタにおいて、すぐれた特性を実現すること
が容易″+4あり、かつ、製造方法の容易な構造の高電
子移動度トランジスタを提供することにある。
A fourth object of the present invention is to provide a high electron mobility transistor having the above-mentioned structure, in which it is easy to realize excellent characteristics, and the structure is easy to manufacture. It's about doing.

上記第1の目的を達成するための要旨は、比較的エネル
ギーイヤツブの小さな半導体例えば砒化ガリ為つム(G
aAs)よりな抄不純物含有量の少ない単結晶層(電子
走行層)上に比較的エネルギーギャップの大きな半導体
例えばアルζニュウムガリ具つム砒素(ム#GaAs)
よシなり実質的に不純物を含有しない単結晶層()9ツ
ファ層)を形成し、更に、電子走行層を形成する半導体
と同等以下のエネルギーギャップブを有する半導体例え
ば砒化ガリエウム(GaAs)よりなるN型の単結晶層
(制御層)を形成し、との制御層の上に少なくとも1箇
の制御電極(ゲート電極)を設け、これを挾んフ1対の
入・出力電極(ソースパPレイン電極)を設けることと
し、制御層の材料と制御層の不純物濃度と制御層の厚さ
とを最適条件に選択して熱平衡状態において電子走行層
と・ぐツ7ア層との間の表面ポテンシャルな0(零)■
と七、制御電極(ゲート電極)に正電圧を印加すること
により、電子走行層内のノ々ツファ層との間のへテロ界
面近傍に、電子群(二次元電子ガス)を誘発してこれを
導電媒体としてエンハンスメント型に機能する高電子移
動度トランジスタとしたことにある。なお、制御室&(
ゲート電極)はシロットキパリャM1が望ましく、入・
出力電極(ソース・ドレイン電極)は金/金ゲルマニエ
ウム(Au/AuGe)等を蒸着の上、これを合金化′
して上記の電子群(二次元電子ガス)と抵抗性接触を確
保することが望ましい。
The key to achieving the first objective is to use semiconductors with relatively small energy reserves, such as arsenide gallium
A semiconductor with a relatively large energy gap, such as aluminum (GaAs), is placed on a single crystal layer (electron transit layer) with a low impurity content.
A semiconductor formed of, for example, gallium arsenide (GaAs), which forms a single-crystal layer (9 tungsten layer) substantially free of impurities and has an energy gap equal to or lower than that of the semiconductor forming the electron transit layer. An N-type single crystal layer (control layer) is formed, and at least one control electrode (gate electrode) is provided on the control layer. By selecting the material of the control layer, the impurity concentration of the control layer, and the thickness of the control layer to the optimum conditions, the surface potential between the electron transport layer and the layer 7a is determined in a state of thermal equilibrium. 0 (zero)■
and 7. By applying a positive voltage to the control electrode (gate electrode), a group of electrons (two-dimensional electron gas) is induced in the vicinity of the hetero interface between the nototsufa layer in the electron transport layer. The purpose is to create a high electron mobility transistor that functions in an enhancement type manner as a conductive medium. In addition, the control room & (
The gate electrode) is preferably made of Shirotkipalya M1.
The output electrodes (source/drain electrodes) are made by vapor depositing gold/gold germanium (Au/AuGe), etc., and then alloying this.
It is desirable to ensure resistive contact with the above electron group (two-dimensional electron gas).

上記第2の目的を達成するための要旨は、電子走行層の
不純物濃度をいわゆるアンインテンシ璽ナルドープの状
態に放置するのではなく、低濃度のym又#iP型に制
御して、上記の高電子移動度トランジスタを構成する半
導体積層体のビルトイン電圧を正確に制御して、電子走
行層と79777層との間の表面ポテンシャルを正確に
0(零)Vになしうるようになしたことにある。
The key to achieving the second objective is to control the impurity concentration of the electron transit layer to a low concentration of ym or #iP type, rather than leaving it in the so-called unintensive doped state. The purpose is to accurately control the built-in voltage of the semiconductor stack that makes up the electron mobility transistor, so that the surface potential between the electron transit layer and the 79777 layer can be set to exactly 0 (zero) V. .

上記第3の目的を達成するための要旨は、入・出力型1
#(ソース・ドレイン電極)形成予定領域の下部領域に
はイオン注入法を使用してN型不純物を導入し熱処理を
施した後、入・出力電極(ソース・ドレイン電極)を蒸
着し、更に熱処理を施こしてこれを合金化して、入・出
力電極(ソース・ドレイン電極)を形成し、入・出力電
極)ソース・ドレイン電極)と電子走行層特に二次元電
子ガスとの間のコンタクト抵抗を減少することにある。
The key to achieving the third purpose above is input/output type 1
# (Source/drain electrodes) After introducing N-type impurities into the lower region of the planned formation area and performing heat treatment, input/output electrodes (source/drain electrodes) are vapor-deposited, and further heat treatment is performed. This is then alloyed to form input/output electrodes (source/drain electrodes), and the contact resistance between the input/output electrodes (source/drain electrodes) and the electron transit layer, especially the two-dimensional electron gas, is It lies in decreasing.

なお、この熱処理温度は700℃i度を必要とするため
、制御電極(ゲート電極)には高融点金属を使用せざる
を得ない。ただ、イオン注入法の使用により、高電子移
動度トランジスタにおける本質的な欠点!ある入・出力
電極(ソース・ドレイン電極)の二次元電子ガス層との
オーミック接触確保の困難さが解消され、製造方法が容
易になるという大きな利益がある。
Note that this heat treatment temperature requires a temperature of 700 degrees Celsius, so a high melting point metal must be used for the control electrode (gate electrode). However, due to the use of ion implantation, there is an essential drawback in high electron mobility transistors! This has the great advantage of eliminating the difficulty of ensuring ohmic contact between certain input/output electrodes (source/drain electrodes) with the two-dimensional electron gas layer, and simplifying the manufacturing method.

上記第4の目的を達成するための要旨は機能上は全く不
必要な入・出力電極(ソース・ドレイン電極)領域下部
の制御層とAツ7ア層とを除去してメサ型とすることに
ある。これによって、伝達コンダクタンスを含み各種特
性を良好にすることが容易であり、かつ、製造方法も容
易となるから〒ある。
The gist of achieving the fourth objective is to remove the control layer and the A7A layer below the input/output electrode (source/drain electrode) region, which are completely unnecessary from a functional point of view, to create a mesa-type structure. It is in. This is because it is easy to improve various characteristics including transfer conductance, and the manufacturing method is also easy.

以下、図面を参照しつつ、本発明の動作原理を説明する
The operating principle of the present invention will be explained below with reference to the drawings.

第1図は本発明の一実施例に係る高電子移動度トランジ
スタの概念的断面図1ある。図において、1はクローム
(Or)等のP−プされた半絶縁性の砒化ガリエウム(
GaAa)基板であり、2はこの上に形成された実質的
に不純物を含有しない砒化ガリュウム(GaAa)の単
結晶層であ抄、電子走行層を構成する。3は実質的に不
純物を含有しないアルミニ為ウムガリエウム砒素(Ar
eaas)の単結晶層よりなる/々ツファ層であり、電
子走行層2との間は良好なヘテロ界面をもって接合され
る。4はN型の砒化ガリエウム(GaAs)の単結晶層
″r!あり、ノツ7ア層3との間は良好なヘテロ界面を
もって接合される。この層4の不純物濃度と厚さとを最
適状態に選択して、所望の高電子移動度トランジスタを
製作スる。5Fiシロツトキノ々リヤ型制御電極(ゲー
ト電極)である。使用する金属はアルミニニウム(A/
)を含み、全く自由である06は、1対の入・出力電極
(ソース・ドレイン電極)−t%あり、本実施例におい
ては金/金ゲルマニ凰つム(ムu/AuG・)を蒸着の
上熱処理して、7をもって示す領域を合金化し、ノ々ソ
ファ層3と電子走行層2との界面に誘発される二次元電
子ガスとの導通な確立する。
FIG. 1 is a conceptual cross-sectional view 1 of a high electron mobility transistor according to an embodiment of the present invention. In the figure, 1 is P-plated semi-insulating gallium arsenide (such as chromium (Or)).
2 is a single-crystal layer of gallium arsenide (GaAa) substantially free of impurities formed thereon, and constitutes an electron transit layer. 3 is aluminum containing substantially no impurities, gallium arsenide (Ar
This layer is made of a single crystal layer of EAAS), and is bonded to the electron transit layer 2 with a good heterointerface. 4 is an N-type gallium arsenide (GaAs) single crystal layer "r!", which is bonded to the layer 3 with a good hetero interface.The impurity concentration and thickness of this layer 4 are optimized. The desired high electron mobility transistor is fabricated by selecting a 5Fi Shirotsutokinori type control electrode (gate electrode).The metal used is aluminum (A/
), and 06, which is completely free, has a pair of input/output electrodes (source/drain electrodes) -t%, and in this example, a gold/gold germanium film (mu/AuG) is deposited. A further heat treatment is performed to alloy the region indicated by 7 and to establish electrical conductivity with the two-dimensional electron gas induced at the interface between the nosofa layer 3 and the electron transport layer 2.

@2図は、その概念的断面図を第1図に示す高電子移動
度トランジスタの熱平衡状態におけるエネルイーノ々ン
P/イヤグラム1ある。Aqフェルミレベルを、Bは価
電子帯レベルを、0は・・1導帯レベルを夫々示す。ま
ず、砒化ガリ瓢つム(oaAs)表面には高密度の表面
準位が存在し、表面7エルミレベルのピンニング効果が
発生することは周知である。そして、このピンニング効
果のエネルギーは、当該半導体又は半導体系に十分な電
子が含有されているかぎり、不純物濃度も含め種々な条
件(′−支配されず、はぼ一定の値1あり、その価は、
当該半導体又は半導体系のエネルギーギャップの2/3
に相当する値−I’Sることも周知である。その結果、
第1図に層構造を図示する半導体積層体のビルトインポ
テンシャルVbi ij一定不賢でアル。
Figure 2 is an energy inoton P/diagram 1 in a thermal equilibrium state of a high electron mobility transistor whose conceptual cross-sectional view is shown in Figure 1. Aq represents the Fermi level, B represents the valence band level, and 0 represents the . . . 1 conduction band level. First, it is well known that a high density of surface states exists on the surface of arsenide oxide (OAAs), and a pinning effect at the surface level of 7 hermi occurs. As long as sufficient electrons are contained in the semiconductor or semiconductor system, the energy of this pinning effect is not controlled by various conditions ('-), including the impurity concentration, and has a constant value of 1; ,
2/3 of the energy gap of the semiconductor or semiconductor system
It is also well known that the value corresponding to -I'S. the result,
The built-in potential Vbi ij of the semiconductor stack whose layer structure is illustrated in FIG. 1 is constant.

又、一方、この値は、N型の砒化ガリエウム(GaAs
)層4の表面ポテンシャルv3と、実質的ニ不純物を含
有しないアル建二為つムガリ凰つム砒素(A/GaAs
)層3中のポテンシャルPロッゾv、Iと不純物含有量
の少ない砒化ガリエウム(GaAs)層2の表面ポテン
シャルV、との和と等しくなる。すなわち、 vbt = vl−11−v2+ v、’1ある。この
式の右辺を構成する各変数のうち、アルミ−瓢つムガリ
エウム砒素(AtGaAs)層4と砒化ガリ瓢つム(G
aAs)層2の表面ポテンシャルv1とv3とは、夫々
の半導体の種類、不純物の濃度・厚さの函数であり、又
、アルオニ凰ウムガリ龜ウム砒fi (AtGaAs)
層3中のポテンシャルドロップV、は主として砒化ガリ
瓢りム(GaAs)層2の厚さと砒化ガリ凰つム(Ga
As)層2の表面ポテンシャルVlとに支配されるから
、上記半導体積層体を構成する条件の選択によっては砒
化ガリ為つム(eaAa)層2の表面ポテンシャルv1
を0(零)v1ニすることが可能1ある。この場合のエ
ネルギーノ々ンドダイ、ヤグラムは第3図に示す如くな
る。かくの如eエネルギーパンrダイヤグラムを有する
高電子移動度トランジスタはピンチオフ電圧が0(零)
Vのエンハンスメント型トランジスタとして機能する。
On the other hand, this value is
) surface potential v3 of layer 4 and arsenic (A/GaAs) layer 4 that does not contain substantial impurities.
) is equal to the sum of the potential PLozzo v, I in the layer 3 and the surface potential V of the gallium arsenide (GaAs) layer 2 with a low impurity content. That is, vbt=vl-11-v2+v,'1. Among the variables constituting the right-hand side of this equation, there is a
aAs) The surface potentials v1 and v3 of the layer 2 are functions of the type of semiconductor, impurity concentration and thickness, and
The potential drop V in the layer 3 is mainly due to the thickness of the gallium arsenide (GaAs) layer 2 and the gallium arsenide (GaAs) layer 2.
Since the surface potential V1 of the arsenide arsenide layer 2 is controlled by the surface potential V1 of the arsenide arsenide layer 2,
There is a possibility that 0 (zero) v1 d. The energy node die and diagram in this case are as shown in FIG. A high electron mobility transistor with such an energy pan diagram has a pinch-off voltage of 0 (zero).
It functions as a V enhancement type transistor.

すなわち、熱平衡状態では入・出力電極(ソース・Pレ
イン電極)6間に電気的導通は存在しないが、制御電極
(ゲート電極)6に正電圧を印加すると電子走行層2内
の/々ツ7ア層3との界面に電子群(二次元電子ガス)
が誘発されて導電媒体として機能する。このとき、79
171層3の有するエネルザーギャップはポテンシャル
/々リヤとして機能し、上記の電子群が制御層4中に流
失することを有効に防止するからフある。
That is, in a state of thermal equilibrium, there is no electrical continuity between the input and output electrodes (source and P-rain electrodes) 6, but when a positive voltage is applied to the control electrode (gate electrode) 6, the /7 in the electron transport layer 2 Electron group (two-dimensional electron gas) at the interface with layer 3
is induced and functions as a conductive medium. At this time, 79
This is because the energizer gap of the 171 layer 3 functions as a potential barrier and effectively prevents the above electron group from flowing into the control layer 4.

このような条件を実現する要件を求めた一例を、下記に
示す。厚さは駐00ス程度と十分に厚い砒化ガリ為つム
(GaAs)層2のN型不純物濃度はIQ”7cm”ト
シ、アルミニ1ウムガリ具ウム砒素(A/6gGmζ7
^S)層3の不純物濃度はO(零)、厚さは200Xと
し、N型の砒化ガIJ &ラム(eaAa)層4の不純
物濃度とその厚さとを変化する。上記のとおり、この半
導体積層体には系全体として十分な量の電子が存在して
いるから、半導体積層体全体としてのビルトイン電圧7
1)iは一定でア抄、この場合α97−1’ある。そこ
−1’、 N型の砒化ガリ%ウム(GaAs)層4の不
純物濃度な1018/C111”と10”/6113の
二つの場合について、N型の砒化ガリ為つム(GaAs
)層4の厚さを変化すると、上記の変数71 + M 
* V3の分配がどのように変化するかを84図。
An example of requirements for realizing such conditions is shown below. The N-type impurity concentration of the gallium arsenide (GaAs) layer 2, which is sufficiently thick with a thickness of about 000 sq.
The impurity concentration of the layer 3 is O (zero) and the thickness is 200X, and the impurity concentration and thickness of the N-type arsenide IJ & Lamb (eaAa) layer 4 are varied. As mentioned above, since a sufficient amount of electrons exist in this semiconductor stack as a whole system, the built-in voltage of the semiconductor stack as a whole is 7.
1) i is constant and in this case α97-1'. There-1', the impurity concentration of the N-type gallium arsenide (GaAs) layer 4 is 1018/C111" and 10"/6113.
) Varying the thickness of layer 4, the above variable 71 + M
*Figure 84 shows how the distribution of V3 changes.

第5図に示す。第4図は前者の場合を、第5図は後者の
場合を示す。図より明らかなように、前者の場合、NT
l1の砒化ガIJ zラム(eaAa)層4の厚さが2
210 X程度あるときは電子走行層2の表面ポテンシ
ャルは約0.4v存在するが、N型の砒化ガリ為つム(
GaAs)層4の厚さが350ス程度に増加すると電子
走行層2の表面ポテンシャルは0(零)■となり、上記
の要件を満足する0もっとも、このトキ、ノ奢ソファ7
1a中のポテンシャルドロップv2も同様に0(零)V
となる。後者の場合、N型の砒化ガリーウA(G&A@
)層4の厚さが1,1゛OO′A程度において上記の要
件を満足する。すなわち、これらの条件において、エン
/1ンスメント型電界効果トランジスタとして機能する
こと(、二なる0以下、図面を参照しつつ、本発明の一
実施例にかかるエンノ・ンスメント型高電子移動度トラ
ンジスタの製造工程を説明し、本発明の構成と特有の効
果とを更に明らかにする0 第6図参照 モレキエラーーームエピタキシャル成長法を使用して、
下記に層パラメータを示す半導体積層体を形成する。尚
、図に示す番号は第1図に示すものと同一!ある。
It is shown in FIG. FIG. 4 shows the former case, and FIG. 5 shows the latter case. As is clear from the figure, in the former case, NT
The thickness of the arsenide gas IJ zram (eaAa) layer 4 of l1 is 2
When it is about 210
When the thickness of the GaAs) layer 4 increases to about 350 mm, the surface potential of the electron transit layer 2 becomes 0 (zero), which satisfies the above requirements.
Similarly, the potential drop v2 in 1a is 0 (zero) V.
becomes. In the latter case, N-type arsenide Gariu A (G&A@
) The above requirements are satisfied when the thickness of layer 4 is approximately 1.1''OO'A. That is, under these conditions, the enhancement type high electron mobility transistor according to the embodiment of the present invention functions as an enhancement type field effect transistor (20 or less). The manufacturing process will be explained to further clarify the structure and unique effects of the present invention. Using the molecular beam epitaxial growth method (see FIG. 6),
A semiconductor stack is formed whose layer parameters are shown below. The numbers shown in the figure are the same as those shown in Figure 1! be.

1 砒化ガリュウム  4 X 10    0r 1
0”程縦GaAs 2 伝1上  5,000   Si 10143 ア
ルミニ1ウムガリ具ウム砒素 200        
なしA/6,3Ga(、,7As 4砒化ガリエウム   1,100    ’8110
17もっとも、電子走行層たる砒化ガリエウム(Ga、
As)層2はノンドープ型でも、薄いP型fもさしつか
えない。ただ、薄いP型のときはビルトイン′峨圧Vb
iの最低値がフェルミレベルより若干下回ることになる
点が異なる○又、これを意識的、に制御するときは半導
体積層体のビルトインポテンシャルVbiが正確に制御
しうるので、製品たる高電子移動度トランジスタのピン
チオフ電圧の制御が容易となり、正確なピンチオフ電圧
を有する高電子移動度トランジスタを創造することがで
きるOしかしこの電子走行層2中に誘発される二次元!
子ガスの高電子移動度を阻害しないようにするため、そ
の不純物含有濃度は、少なくとも制御層4のそれよ#)
1桁は低い程度に抑えるべきフある0第7図参照 高融点金属例えば二硅化タングステン(WStり、をa
、ooo X程度の厚さに蒸着したのちフォトリソグラ
フィー法を使用して制御電極(ゲート電極)5を形成す
る。ここ1、高融点金属を使用した理由は、次工程1人
・出力電極(ソニス・ドレイン電極)領域に実施される
イオン注入後の700〜800℃の熱処理に耐えるため
フある。したがって、このイオン注入工程と熱処理工程
とを使用しない場合は、制御電極(ゲート電極)5はア
ルミ−TILウム(A/)等フもさしつかえなく、本発
明に必須な事項ではない。
1 Gallium arsenide 4 X 10 0r 1
0" vertical GaAs 2 Den 1 5,000 Si 10143 Aluminum 1 Um Gallium Arsenic 200
None A/6,3Ga(,,7As 4Gallium arsenide 1,100 '8110
17 However, gallium arsenide (Ga,
As) The layer 2 may be a non-doped type or a thin P type f. However, when it is a thin P type, the built-in pressure Vb
The difference is that the minimum value of i will be slightly lower than the Fermi level. ○Also, when this is consciously controlled, the built-in potential Vbi of the semiconductor stack can be accurately controlled, resulting in a product with high electron mobility. The pinch-off voltage of the transistor can be easily controlled and a high electron mobility transistor with a precise pinch-off voltage can be created.
In order not to inhibit the high electron mobility of the child gas, the impurity concentration should be at least as high as that of the control layer 4.
1 digit is a level that should be kept to a low level 0 See Figure 7.
, ooo X, and then a control electrode (gate electrode) 5 is formed using a photolithography method. 1. The reason for using a high melting point metal is that it can withstand heat treatment at 700 to 800° C. after ion implantation, which is performed in the next step, the output electrode (sonis drain electrode) region. Therefore, if the ion implantation step and the heat treatment step are not used, the control electrode (gate electrode) 5 may be made of aluminum-TIL (A/), etc., and is not essential to the present invention.

第8図参照 制御電極(ゲート電極)5をマスクとして、入出力電極
(ソース・ドレイン電極)形成領域8にシリコン(81
)を153KeVのエネルギーとi、7 X 10”/
C1l” のドース量とをもってイオン注入する。この
エネルギーによっては王として図に9ケもって示す領域
にシリコン(Sl)が注入されるOこのイオン注入の目
的は入・出力電極と二次元電子ガスとのコンタクト抵抗
を減少するため1あり、本発明、に必須な事項!はない
0 第9図参照 入・出力電極(ソース−ドレイン電極)形成領域°力゛
ら・f″制御1“l A 777層こと!“走行層2の
一部とを除去する0つづいて、フォトシソグラフィー法
を使用して入・出力電極(ソース・Pレイン電り形成領
域8に金/金ゲルマニエウム(Au/AuGe)層を蒸
着し、熱処理を施して合金化し、入・出力電極(ソース
・ドレイン電極、)領域8以外からり7トオ7法、を使
用してフォトリソグラフィー法に使用したマスクを除去
し1.1対の入・出力電極(ソース・ドレイン電極)6
を完成する。このようにメサ型にする目的は入・出力電
極(ソース・ドレイン電(資)6と二次元電子ガスとの
コンタクト抵抗を減少させることにあるから、本発明に
必須な事項でないばか抄でなく、多くのトランジスタを
単一のチップ上に形成する集積回路にあっては可及的に
プレーナ型が望ましいから、この工程はその採用が必ず
しも望ましくない工程〒ある0むしろ、イオン注入工程
メ合金化工程とを最適条件1実施してプレーナ型にする
ことが望ましい。
Refer to FIG. 8 Using the control electrode (gate electrode) 5 as a mask, silicon (81
) with an energy of 153 KeV and i, 7 X 10”/
The ion implantation is performed with a dose of Cl''.Depending on this energy, silicon (Sl) is implanted into the region shown as 9 in the figure.The purpose of this ion implantation is to form input/output electrodes and two-dimensional electron gas. In order to reduce the contact resistance of Next, a photolithography method is used to remove gold/gold germanium (Au/AuGe) from the input/output electrode (source/P-rain electrode formation region 8). A layer is deposited, heat-treated to alloy it, and the mask used in the photolithography method is removed using the 7-to-7 method except for the input/output electrode (source/drain electrode) region 1.1. Pair of input and output electrodes (source and drain electrodes) 6
complete. The purpose of making the mesa shape as described above is to reduce the contact resistance between the input/output electrodes (source/drain electrodes 6 and the two-dimensional electron gas), so it is not a stupid thing that is not essential to the present invention. In integrated circuits in which many transistors are formed on a single chip, it is desirable to use a planar type as much as possible, so this process is not necessarily desirable. It is desirable to carry out the process under optimal conditions 1 to form a planar type.

以上の如くして製造された、本発明の一実施例にカカる
エンハンスメント型高電子移動度トランジスタの熱平衡
状態におけるエネルギーノ々ンPダイヤグラムは、第3
図に示す如くマする。ここで、制御電極(ゲート電極)
5に正電圧を印加すると、電子走行層2と79277層
3とのへテロ界面近傍の電子走行層2中に電子群(二次
元電子ガス)が誘発される。この電子群の厚さは極めて
小さく、不純物を含有する制御層4からは空間的に分離
しており、不純物散乱の影響を受けず、不純物散乱が電
子移動度の増大を阻む低温例えば77°Kにおいて、大
きな電子移動度を実現することは従来の高電子移動度ト
ランジスタの場合と同様フある。
The energy number P diagram in the thermal equilibrium state of the enhancement type high electron mobility transistor according to an embodiment of the present invention manufactured as described above is shown in the third diagram.
Mapping as shown in the figure. Here, the control electrode (gate electrode)
When a positive voltage is applied to the electron transit layer 5, an electron group (two-dimensional electron gas) is induced in the electron transit layer 2 near the hetero interface between the electron transit layer 2 and the 79277 layer 3. The thickness of this electron group is extremely small, and it is spatially separated from the control layer 4 containing impurities, so it is not affected by impurity scattering and is kept at low temperatures, such as 77°K, at which impurity scattering prevents an increase in electron mobility. In this case, it is possible to achieve large electron mobility as in the case of conventional high electron mobility transistors.

ここで、注意しなければならないことは(イ)電子走行
層2とノ々ツ7ア層3との間にはポテンシャルノ々リヤ
が存在して、二次元電子ガスが制御層4に流入−するこ
とを有効に防止していることと、(ロ)パックァ層3は
ノンドープ層であるから制御層4中の不純物が電子走行
層2中に拡散されるおそれがなく、従来の高電子移動度
トランジスタよシ高い電子移動度が得られることと、(
ハ)全く同一の理由により、何の障害もなく入・出力電
極(ソース・ドレイン電極)形成領域にイオン注入法の
使用が許されることと、に)璽−V族化合物生導体(本
例〒は砒化ガリ^ウムGaAs)よりなる電子走行層の
表面ポテンシャルを、その上部に格子整合の上形酸され
より大きなエネルギーイヤツブを有し実質的に不純物を
含まない半導体(本例ではアルミニ息ウムガリ為クム砒
索At@、3Ga6.yムB)よりなる79277層と
電子走行層と同等以下のエネルギーイヤツブを有するN
型の半導体(本例1は砒化ガリ凰つムGaAs)よりな
る制御層との存在により制御するという本発明の本質よ
りして、本発明にかかるエンハンスメント型高電子移動
度トランジスタのピンチオフ電圧を全く自由に制御する
ことが可能〒あり、これを完全に0(零)■にすること
が可能であることである0 以上の説明にあっては、砒化ガリ^ウム(GaAa)と
アルミニエウムガリ龜つム砒素(^tGaAs)との組
み合わせを例として説明したが、本発明に係るエンハン
スメント型トランジスタを構成することの可能な牛導体
の組み合わせの数例を下表に示すOl        
工nAs        GaAsSb      工
nAs2         GaAg        
A/GaAsP      GaAs3       
 工nP        工nGa5b       
InP以上説明せるとおり、本発明によれば、2種又は
3種のエネルギーイヤツブの異なる牛導体を組み合わせ
て形成されるヘテロ界面近傍に、不純物を含有する半導
体層からは空間的に分離した電子群(二次元電子ガス)
を誘発させ′て、この電子群を導電媒体とする高電子移
動度トランジスタWbいて、導電媒体と直接隣接する半
導体層には不純物をドープする。必要がなく、従来に比
し更に電子移動度の向上した新規な層構造を有する高電
子移動度トランジスタを提供することが?きる。
Here, it must be noted that (a) a potential node exists between the electron transport layer 2 and the node layer 3, and the two-dimensional electron gas flows into the control layer 4. (b) Since the packer layer 3 is a non-doped layer, there is no fear that impurities in the control layer 4 will be diffused into the electron transport layer 2, and the high electron mobility of the conventional It is possible to obtain higher electron mobility than transistors, and (
c) For exactly the same reason, the use of ion implantation in the input/output electrode (source/drain electrode) formation region is permitted without any hindrance; The surface potential of an electron transit layer made of gallium arsenide (GaAs) is determined by the surface potential of an electron transport layer made of gallium arsenide (GaAs), which has a larger energy ear and is substantially impurity-free (in this example, aluminum gallium arsenide). 79277 layers consisting of 3Ga6.
Due to the essence of the present invention that the pinch-off voltage of the enhancement type high electron mobility transistor according to the present invention is controlled by the presence of a control layer made of a type semiconductor (GaAs in Example 1), the pinch-off voltage of the enhancement type high electron mobility transistor according to the present invention is completely controlled. In the above explanation, gallium arsenide (GaAa) and aluminum gallium Although the combination with GaAs is described as an example, several examples of combinations of conductors that can constitute an enhancement type transistor according to the present invention are shown in the table below.
Engineering nAs GaAsSb Engineering nAs2 GaAg
A/GaAsP GaAs3
Engineering nP Engineering nGa5b
InP As explained above, according to the present invention, electrons spatially separated from the semiconductor layer containing impurities are generated near the hetero interface formed by combining two or three types of conductors with different energy sources. group (two-dimensional electron gas)
is induced, a high electron mobility transistor Wb is formed using this group of electrons as a conductive medium, and the semiconductor layer directly adjacent to the conductive medium is doped with an impurity. Is it possible to provide a high-electron-mobility transistor having a novel layer structure with improved electron mobility compared to the conventional one without the need for high-electron-mobility transistors? Wear.

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

第1図は本発明の一実施例に係る高電子移動度トランジ
スタの概念的断面図1あり、第2・3図はその熱平衡状
態におけるエネルギーノ饗ンドダイヤグラムであり、第
4・5図は、ぜンチオフ電圧七制御層の厚さとの関係を
示すグラフである(ピンチオフ電圧な0(零)■とする
ために必要な制御層の厚さを示すグラフ〒ある。)。 第6.7.8.9図は本発明の一実施例に係るエンハン
スメント型高電子移動度トランジスタの製造工程の主要
段階における基板断面図である。 l・・・クロームドープされた半絶縁性砒化ガリ瓢つム
基板、2・・・電子走行層(不純物含有量の少ない砒化
ガリ凰つム単結晶層)、3・・・ノぐソファ層(実質的
に不純物を含有しないアルミニエウムガリュウム砒票単
結晶層)、4・・・制御層(N型の砒化ガリ瓢つム単結
晶層)、5・・・シ曹ットキ/#リヤ型制御電極(ゲー
ト電fi)、6・・・1対の入・出力型1f#(ソース
・Pレイン電極)、7・・・合金化されル領竣、ム・・
・フェルミレベル、B 、 B’・・・価電子帯レベル
、0.0′・・・伝導偕レベル、Vbi・・・牛導体積
層体のビルトインポテンシャル、vl・・・不純物含有
量の少ない砒化ガリ瓢つム層2の表面ポテンシャル、v
2・・・実質的に不純物を含有しないアルミニ凰ウムガ
リ瓢ウム砒素層3中のポテンシャルドロップ、v3・・
・N型の砒化ガリュウムN4の表面ポテンシャル、8・
・・入・出力電極(ソース・Pレイン電極)形成領域、
9・・・イオン注入される領域0N−G4AsJ厚
Fig. 1 is a conceptual cross-sectional view 1 of a high electron mobility transistor according to an embodiment of the present invention, Figs. 2 and 3 are energy node diagrams in its thermal equilibrium state, and Figs. 4 and 5 are: This is a graph showing the relationship between the pinch-off voltage and the thickness of the control layer (there is a graph showing the thickness of the control layer necessary to set the pinch-off voltage to 0). 6.7.8.9 are cross-sectional views of a substrate at main stages of the manufacturing process of an enhancement type high electron mobility transistor according to an embodiment of the present invention. 1...Chromium-doped semi-insulating gallium arsenide substrate, 2...Electron transit layer (gallium arsenide single crystal layer with low impurity content), 3...Nexus layer ( Aluminum gallium arsenide single crystal layer that does not substantially contain impurities), 4... Control layer (N-type gallium arsenide single crystal layer), 5... Carbon dioxide/# rear type control Electrode (gate electrode fi), 6...1 pair of input/output type 1f# (source/P rain electrode), 7... Alloyed area completed, mu...
・Fermi level, B, B'...Valence band level, 0.0'...Conduction level, Vbi...Built-in potential of the conductor laminate, vl...Arsenide gallium with low impurity content Surface potential of Gourd layer 2, v
2... Potential drop in the aluminum gallium arsenide layer 3 that does not substantially contain impurities, v3...
・Surface potential of N-type gallium arsenide N4, 8.
・・Input/output electrode (source/P-rain electrode) formation area,
9...Ion implanted region 0N-G4AsJ thickness

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)中絶縁性の基板と、駁基板上に形成され不純物含
有量の少ない半導体の単結晶層よりなる電子走行層と、
該電子走行層上に形成され前記電子走行層を形成する半
導体が有するエネルギーギャップより大きなエネルギー
ギャップを有し夾質的に不純物を含有しない半導体の単
結晶層よりなるノ々ツファ層と、該ノ9ツフ7層上に形
成され前記電子走行層を形成する半導体が有する゛エネ
ルギーギャップより大きくないエネルギーギャップを有
するN型の半導体の単結晶層よりなる制御層と、該制御
層上の一部に設けられた少なくとも1箇の制御電極と、
前記制御層の表面の他の一部または前記電子走行層の表
面の一部に前記制御電極を挾ん1互に対向する領域に設
けられた1対の入・出力電極とを有し、前記の層構造に
おいて前記電子走行層と前記ノ9ツファ層との間の表面
ポテンシャルなO(零)とするように前記制御層のエネ
ルギーギャップの大きさと厚さと不純物濃度とが撰択さ
れており、前記制御電極に印加される正電圧によりて前
記電子走行層と前記/々ツファ層とのへテロ界面近傍に
電子群が銹発されて、エンハンスメント型トランジスタ
として機能する半導体装置。
(1) A medium insulating substrate, an electron transit layer formed on the substrate and made of a semiconductor single crystal layer with low impurity content,
a notch layer formed on the electron transit layer and consisting of a single crystal layer of a semiconductor having an energy gap larger than that of the semiconductor forming the electron transit layer and containing no impurities; a control layer formed on the 7th layer and made of a single crystal layer of an N-type semiconductor having an energy gap not larger than the energy gap of the semiconductor forming the electron transport layer; at least one control electrode provided;
a pair of input/output electrodes provided in mutually opposing regions sandwiching the control electrode on another part of the surface of the control layer or a part of the surface of the electron transport layer; In the layer structure, the size of the energy gap, the thickness, and the impurity concentration of the control layer are selected so that the surface potential between the electron transport layer and the 9-layer layer is O (zero), A semiconductor device in which a group of electrons is emitted in the vicinity of a hetero interface between the electron transport layer and the anti-transfer layer by a positive voltage applied to the control electrode, thereby functioning as an enhancement type transistor.
(2)前記l対の入・出力電極の下部領域は前記電子走
行層に至るま1高濃度のN型不純物を含有しており、前
記制御電極は高融点金属よりなることを特徴とする特許
請求の範囲第1項記載の半導体装置。
(2) A patent characterized in that the lower regions of the l pairs of input and output electrodes contain a high concentration of N-type impurity up to the electron transport layer, and the control electrode is made of a high melting point metal. A semiconductor device according to claim 1.
(3)前記1対の入・出力電極領域においては前記制御
層と前記ノ々ツファ層とが除去されている、特許請求の
範囲第1項、又は、第2項記賊の半導体装置。
(3) The semiconductor device according to claim 1 or 2, wherein the control layer and the notch layer are removed in the pair of input/output electrode regions.
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