JPS5893380A - 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】 （１）発明の技術分野 本発明は半導体装置に関する。詳しくは、本特許出願の
出願人のなした先の特許出願（特願昭５６第０３２０８
８号）に係る高電子移動度トランジスタの拡張に関する
。

（２）技術の背景 高電子移動度トランジスタとは、電子親和力の相異なる
２種の半導体を接合することにより形成される１のへテ
ロ接合面の近傍に蓄積される電子群（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、他尋ζ設けられた一対の入・出力電極間に前記
の蓄積電子群（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をい
う。

高電子移動度トランジスタの大きな特徴は、上記の蓄積
電子群（二次元電子ガス）の電子移動度が、不純物散乱
による影響が電子移動度を抑制する主因となる低温、例
えば７７　Ｋまたはそれ以下の温度において、極めて大
きくなることである。

上記の蓄積電子群（二次元電子ガス）は、電子親和力の
大きな半導体中ではあるが、ヘテロ接合のごく近傍に、
と（薄く、１００　Ａ程度以内の領域１ζ蓄積されるの
で電子供給層（電子親和力の小さい層）から空間的に分
離され、その電子移動度は不純物散乱によって影響され
ない。そこで、この不純物散乱による影響が電子移動度
の増大を阻むことになるような低温すなわち７７°に以
下の温度において極めて大きな電子移動度が実現される
。

：： （３）従来技術と問題点 上記の蓄積電子群（二次元電子ガス）の電子供給層を構
成する半導体中にｎ型の不純物を含有させておき、この
ｎ型不純物から電子を供給させることが最も容易である
。ただ、ｎ型不純物濃度を過度に大きくするとこれがチ
ャンネル層中に拡散して不純物散乱の原因となり、高電
子移動度トランジスタの特徴である高い電子移動度がそ
こなわれる。そこで、電子供給層を構成する半導体にｎ
型の不純物を含有させてこれを電子源にするのではなく
、何らかの他の手段により電子を供給して蓄積電子群（
二次元電子ガス）を発生させることができれば甚だ好都
合であるが、この要請を実現したものが上記の特許出願
（特願昭５６第０３２０８８号）の発明に係る半導体装
置であり、その発明の要旨は、ノーマリオフ型の高電子
移動度トランジスタに適する層構造の電子供給層に電子
供給層中で吸棋されつる波長の電磁波を照射すると、照
射エネルギーによって電子供給層中で励起現象がおこり
、高電子移動度を有する蓄積電子群（二次元電子ガス）
が発生するので、この現象を利用したものである。この
蓄積電子群（二次元電子ガス）の電子面濃度の減衰速度
は小さく、電磁波の照射を停止した後も、高電子移動度
トランジスタが７７″′Ｋまたはそれ以下の低温に保持
されている限り実質的には減衰しないと考えてさしつか
えないことが実験的に確認されている。

この事実は半導体装置の特性を長年月にわたり維持する
ためには好都合ではあるが、一方、電磁波の照射をもっ
て発生させた蓄積電子群（二次元電子ガス）の電子面濃
度の変更を必要とする場合は、高電子移動度トランジス
タの温度を７７°Ｋをこえて上昇させない限り、実質的
に不可能であるという欠点を招来する。すなわち、高電
子移動度トランジスタの特性を調整する点からは不便で
あり、もし、電磁波照射をもってなす蓄積電子群（二次
元電子ガス）の発生が記憶要素として使用されている場
合等は、その消去が困難であるという欠点をなす。

そこで−１−３もし、電磁波照射をもってなす蓄積電子
群（二次元電子ガス）の電子面濃度の微調整、更には、
その消滅が可能であれば、上記のごとき要請に容易にこ
たえることができ、はなはだ便利である。

（４）発明の目的 本発明の目的は上記の要請を実現することにあり、低温
状態においてなされる電磁波照射をもって発生させた蓄
積電子群（二次元電子ガス）を導電媒体とする高電子移
動度トランジスタにおいて、その蓄積電子群（二次元電
子ガス）の電子面濃度の変更を上記の半導体装置を低・
温状態から解除することなく可能とする半導体装置を提
供することにある。

（５）発明の構成 この発明の構成は、チャンネル層を構成する半導体層上
に形成された、この半導体より電子親和力の小さな半導
体よりなる電子供給層を有し、この半導体層に照射され
る電磁波によって電子供給層中において励起されて発生
した自由電子がこの二層の界面近傍に電子親和力の差に
もとすき滞留して発生する蓄積電子群（二次元電子ガス
）が導電媒体であり、上記の半導体層上に形成される制
御電極が上記の導電媒体により構成されるチャンネルの
インピーダンスを制御し、低温状態で電磁波照射がなさ
れその後も低温に保存されてなる能動的半導体装置にお
いて、上記の電子供給層の上層にｐｎ接合が設けられて
おり、このｐｎ接合のｐ側には一つの調整電極が設けら
れていることにある。

なお、この調整電極と制御電極とは同一であることを妨
げない。

また、上記の構成の半導体装置の寿命が不可避的に短命
である点に鑑み、上記の構成の半導体装置に半導体発光
素子等の電磁波照射手段を設けておき、蓄積電子群（二
次元電子ガス）の電子面濃度が減衰したときにこの手段
を使用して当初の状態に復元することが可能な構成とな
すことは産業上利用性を向上する見地から極めて有意義
である。

上記の構成においては、電子供給層中にｐｎ接合が設け
られており、このｐｎ接、合のｐ側には調整電極が設け
られているので、この調整電極を正電位とし、入・出力
電極を負電位として電圧を印加すると、これらの電極間
に電流が流れて、上記のｐｎ接合のｎ側にホールが注入
されて、電磁波の照射により実現され低温状態において
保持されていた励起状態が解消される。この操作は低温
状態においてなされ、昇温の必要はない。そして、この
操作の結果、蓄積電子群（二次元電子ガス）の電子面濃
度は電磁波照射以前の状態に復元する。

すなわち半導体装置を低温に保持したまま特性の変更を
なすことかできる。

次に、かかる高電子移動度トランジスタを構成しうる半
導体の組み合せは非常に多く、要すれば、格子定数が近
似していて、電子親和力の差が大きいという条件を満足
すれば足りる。本発明は、これらの半導体の組み合せの
いずれにも適用することができる。半導体層の組み合せ
よりなる高−子移動度トランジスタは、電子親和力の大
きい半導体を上層にするか下履にするかにより２種類１
こ分類され、前者にあっで１は、電子親和力の大きな半
導体の金属学的厚さと電子親和力の小さな半導体の金属
学的厚さとの比が層構造によって決定される特定の値よ
り大きいか小さいかによりノーマリオン型又はノーマリ
オフ型となる。又、後者にあっては、電子親和力の小さ
な半導体の金属学的厚さが層構造によって決定される特
定の値より大きいか小さいか各〔より）゛−マリオン型
又はノーマリオフ型となる。

ところで、本発明においてはｐｎ接合を電子供給層内に
形成する必要があるので、電子供給層（１１子親和力の
小さな層）を上層に、チャンネル層（＠子親和力の大き
な層）を下層にすることが必要である。

（６）発明の実施例 以下、図面を参照しつつ、本発明の一実施例にかかる半
導体装置について説明する。１例として、砒化ガリュウ
ム（ＧａＡｓ）をチャンネル膚とし、ｎ型のアルミニニ
ウムガリエウム砒素（Ａｔ　Ｇａ　Ａｓ　）を電子供給
層とする場合について述べる。

図において、１は砒化ガリュウム（ＧａＡｓ）よりなる
基板であり、２はこの上に格子整合の上形成されたノン
ドープの砒化ガリュウム（ＧａＡｓ）よ゛りなるチャン
ネル層であり、３はその上に結晶格子整合の上形成され
たｎ型にドープされたアルミニュウムガリュウ牟砒素（
ＡＩＱａＡｓ）よりなる電子供給層であり、この例にお
ける結晶パラメータはノーマリオフ型高電子移動度トラ
ンジスタに適するよう番こされている。４は入・出力電
極形成領域（オーミックコンタクト合金領域）であり、
金・ゲルマニュウム／金（Ａｕ　Ｇｅ／Ａｕ　）よりな
る入・出力（ソース・ドレイン）電極５と抵抗接触され
〜でいる。６は電磁波を透過しつる程度の厚さを有する
金亜鉛（Ａｕ−Ｚｎ）被膜か電磁波が入射可能なように
環状構造になされた金亜鉛（Ａｕ−Ｚｎ）環よりなる制
御電極である。７はｉ整電極であり、本例においては、
金亜鉛（Ａｕ−Ｚｎ）被膜よりなる。上記のとおり、制
御電極（ゲート電極）と調整電極とを一体となすことを
妨げない。８は電子供給層３の上層部に形成されたｐ型
領域である。ここにｐ全領域８を設けることによりｎ型
にドープされているアルミニエウムガリエウム砒素ＣＡ
Ｉ　Ｇａ　Ａｓ　）よりなる電子供給層３の上層部にｐ
ｎ接合が形成される。通常、高電子移動度トランジスタ
構造においては、ｎ型のアルミニュウムガリュウム砒素
（ＡＩ　ＧａＡｓ）よりなる電子供給層の厚さはおよそ
Ｑ、Ｊａｍ以下であるため、この領域にｐｎ接合を形成
することは必ずしも容易ではない。そこで、このｎ型の
アルミニュウムガリュウム砒素（ＡＩＧａＡｓ）よりな
る電子供給層の上にノンドープのアルミニュウムガリュ
ウム砒素（ＡＩＧａＡｓ）層を形成し、ここにｐ領域を
形成することが便利である。すなわち、この場合は、ｐ
−４−ｎ構造となる。または、ｎ　−Ａ　Ｉ　Ｇａ　Ａ
ｓ上にｐ−ＡｌＧａＡｓを成長しゲート電極部を残し、
他をエツチングにて取り除く方法によってもよい。ただ
し、この場合はメサ型構造となる。

９はこの半導体装置を７７°に程度以下の低温に保持す
る低温容器である。１０はこれを通して電磁波を照射す
ることにより電子供給層３とチャンネル層２との界面近
傍に蓄積電子群（二次元電子ガス）１１ヲ発生させるた
めの電磁波のみ射窓である。もっとも一般には、図に示
すように高電子移動度トランジスタ素子が単独で低温容
器に収容されることは稀で、多数の高電子移動度トラン
ジスタが同一の低温容器に収容されるであろうから、入
射窓１０にはマスクを設けて照射するかあるいは図の容
器は単なる気密容器として用い、これを複数個一括して
低温容器に収容することが実際的である。

上述の構成を有する半導体装置において減衰の少ない蓄
積電子群（二次元電子ガス）の電子面濃度の微調整、更
には、消滅を、温度の変更を必要とすることなく実行す
る工程と作用とについて説明する。

高電子移動度トランジスタを７７　Ｋもしくはそれ以下
に冷却し電子供給層３中で吸収されうる波長の電磁波を
照射することにより対照エネルギーによって電子供給層
３中のドナー不純物が励起されて高電子移動度を有する
蓄積電子群（二次元電子ガス）１１がチャンネル層２と
電子供給層３との界面に発生する。この結果、上記の半
導体装置は電界効果型トランジトスタとして機能するこ
とになる。ここで、もし、ピンチオフ電圧やソース・ド
レイン間飽和電流の変更を必要とするときは、調整電極
７を正電極とし入・出力電極（ソース・ドレイン電極）
５を負電極として電流を流すと、ｐ領域８よりｎ領域３
ヘホールが注入され、電磁波の対照エネルギーによって
励起されたドナー不純物が再結合し、電子供給層３中の
ドナー濃度が減少し、蓄積電子群（二次元電子ガス）１
１の電子面濃度を、微調整することも、電磁波照射前の
値にもどすことも、低温状態のままで容易に可能である
。

（７）発明の詳細 な説明せるとおり、本発明によれば、低温状態において
なされる電磁波照射をもって発生させた蓄積電子群（二
次元電子ガス）を導電媒体とする高電子移動度トランジ
スタにおいて、その蓄積電子群（二次元電子ガス）の電
子面濃度の変更、さらには、微調整を、低温状態を保持
したまま可能にする半導体装置を提供することができる
。

【図面の簡単な説明】

図ハ本発明の一実施例にかかる半導体装置の概念的断面
図を示す。 １・・・・・・基板、２・・・・・・チャンネル層、３
・・・・・・電子供給層、４・・・・・・入・出力電極
形成領域、５・・・・・・入・出力電極、６・・・・・
・制御（ゲート）電極、７・・・・・・−調整電極、８
・・・・・・電子供給層中のｐ型領域、９・・・・・・
低温容器、１０・・・・・・入射窓、１１・・・・・・
蓄積電子群（二次元電子ガス）。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）半絶縁性の半導体基板上に形成される１の半導体
   の単結晶層よりなるチャンネル層と、該チャンネル層上
   に形成され該チャンネル層を形成する前記１の半導体が
   有する電子親和力より小さな電子親和力を有し、ｎ型の
   導電型を呈する不純物を含有する他の半導体の単結晶層
   よりなる電子供給層と、該電子供給層上に設けられてお
   りその下部領域の該電子供給層に電磁波の導入を許す制
   御電極と、該制御電極を挟んで設けられる１対の入・出
   力電極とを有し、前記二つの半導体の電子親和力の差に
   もとすき該二つの半導体よりなる層の界面近傍に平面状
   に蓄積される電子群（二次元電子ガス）により前記一対
   の入・出力電極間に形成される導電路インピーダンスが
   前記制御電極により制御される能動的半導体装置におい
   て、前記電子供給層上層部にｐｎ接合が形成されており
   、該ｐｎ接合のｐ側には１の調整電極が設けられている
   ことを特徴とする半導体装置。
2. （２）前記制御電極と前記調整電極とが同一である特許
   請求の範囲第１項記載の半導体装置。
3. （３）前記制御電極の下部領域の前記電子供給層に向っ
   て電磁波を導入する手段を有しており、低温容器に収納
   されてなる特許請求の範囲第１項記載の半導体装置。