JPS5913376A - ヘテロ接合を有する半導体薄膜 - Google Patents

ヘテロ接合を有する半導体薄膜

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JPS5913376A
JPS5913376A JP12176082A JP12176082A JPS5913376A JP S5913376 A JPS5913376 A JP S5913376A JP 12176082 A JP12176082 A JP 12176082A JP 12176082 A JP12176082 A JP 12176082A JP S5913376 A JPS5913376 A JP S5913376A
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JP
Japan
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thin film
xas
mixed crystal
gaas
hetero junction
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Pending
Application number
JP12176082A
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English (en)
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Tadao Ishibashi
忠夫 石橋
Seigo Taruchiya
清悟 樽茶
Yoshifumi Takanashi
高梨 良文
Hiroshi Okamoto
岡本 紘
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a 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
    • H01L29/7786Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface with direct single heterostructure, i.e. with wide bandgap layer formed on top of active layer, e.g. direct single heterostructure MIS-like HEMT
    • H01L29/7787Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface with direct single heterostructure, i.e. with wide bandgap layer formed on top of active layer, e.g. direct single heterostructure MIS-like HEMT with wide bandgap charge-carrier supplying layer, e.g. direct single heterostructure MODFET

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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、A/−XGal−XAθ混晶薄膜とGa A
g薄膜とから成るヘテロ接合を用いて二次元電子ガス層
を形成した半導体薄膜に関するものである。
不純物としてSlをドーピングしたAtxGal−xA
s混晶薄膜とGa As薄膜とによって結晶学的に良好
なヘテロ接合を形成した場合、ドーピングしていないG
aAs側に、電気伝導度の大きい二次元電子ガス層が形
成できる。
第1図に、このようなヘテロ接合のノ(ンドダイヤグラ
ムを示す。同図において、1はSlをドーピングしたA
zxGal−XAs層、2はGaAs層を示す。また3
は伝導帯端、4は価電子帯端、5はイオン化したS1ド
ナー、更に6は二次元電子ガス層、Tはフェルミレベル
を示す。熱平衡状態での上記二次元電子ガスの濃度は、
AtzG!Ll−zA8混晶中のS1@度、A txG
 a 1− xAs混晶とGaAsとの間での伝導帯端
エネルギーの不連続値、S1ドナー活性化エネルギー、
温度等に支配され、フェルミレベルTよシ上のエネルギ
ーにあるイオン化したS1ドナー5の濃度に等しい濃度
の二次元電子が接合のGaAs側に銹起されることが知
られている。しかし、二次元電子濃度を支配する上記要
因のうちS1ドナー活性化エネルギーについては、その
At組組成への依存性が明確にされていないため、接合
の電気的特性の制御性、再現性を向上させるためのAt
組組成へ条°件が得られていなかった。
即ち、従来一般に分子線エピタキシャル(MBE)法や
有機金属気相成長(MO−CVD)法等の技術を用いて
この種のへテロ接合を有する半導体薄膜を製作する場合
には、結晶の特性上から上記Xの値は常識的にX;O,
2〜0.3の範囲が用−られているが、このような範囲
では、AzXGal、As混晶中の81′fIk度を一
定にしたとしても、Xの増加に伴って二次元電子ガスの
濃度が減少し、AtxGJ=zAB混晶中の電子濃度も
大幅に減少する。このことは、集積回路製作等に用いる
高品質薄膜を製造する際の二次元電子ガス濃度の制御性
、再現性を低下させ、薄膜面内のXの分布の影響を受は
易くして均一性を低下させている。また、X;O,Z〜
0.3の範囲では、室温においてAtXGa1−xAθ
混晶の電気伝導度がGaAeの約75以上あシ、この種
の半導体薄膜を例えば室温で動作する電界効果トランジ
スタ等の製作に用いる場合には、ゲート電極下のA t
z G a s −X A s層中を流れる電流による
ドレインコンダクタンスの増加あるいは相互コンダクタ
ンスの低下といった問題を生じ、マイクロ波増幅用素子
、スイッチング回路等への応用に不利な条件を与えるこ
ととなる。
他方、不純物としてSlではな(SnやTeをAtxG
al−xAθにドーピングしたものについては、X )
 0.3の範囲を用いた場合についても報告例がある。
しかしながら、これらの不純物はALxGf’1−xA
s中の拡散係数が大きすぎて急峻な不純物の分布が形成
できないため、この種の半導体薄膜の製作には不適当で
ある。
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、
その目的は、Slをドーヒ°ングしたAtxGal−x
As混晶薄膜とGaAa薄膜とから成るヘテロ接合にお
いて、Ga As側に生じる二次元電子ガス嬢度の制御
性、再現性、薄膜面内での均一性を向上させると共に、
AzxGal−xAs混晶を高抵抗化することが可能な
ヘテロ接合を有する半導体薄膜を提供することにある。
このような目的を達成するために、本発明は、人zxG
a□−xAs混晶のAz組成Xの値を0.35≦X≦0
.5の範囲に設定したものである。
先ず、この範囲の決定根拠となった実験例を示す。
即ち第2図は、MBE法によシ製作したAzzGal−
XAs混晶中のS1ドナー活性化エネルギーEDのAt
組組成上対する依存性を示したグラフである。
ここで、AzxGal−XAs混晶中の81濃度は1〜
2 X 101s/c4一定である。
同図において、Xの値が0.21から0.36tで増加
するのに従って、EDは5meVから150m5Vへ増
加しており、その変化率は約10100OV / xで
変化は極めて急激でおる。Xが0.36を越えると、E
oは逆に減少するが、その変化は1/10程度に緩やか
となる。このことから、x;’o、2〜0.3の範囲で
FDが上述したように大きなX依存性を有していること
が、当該領域で二次元電子ガス濃度が大きく変化するこ
との要因の一つとなっていることが理解される。
、そこで、このAt組組成上0,35≦X≦0.5の範
囲に選択することにより、次のような作用を生じる。
第1に、とのXの範囲では、EDが145meV±5チ
となシ、xの変動に対するKOの変動が最小に抑えられ
る。のみならず、この範囲では電子を供給するドナー準
位はX谷に付随しているが、X谷の伝導帯端エネルギー
のX依存性はF谷のそれよシも小さいため、AtXGI
LI XA8混晶とGaAsとから成るヘテロ接合界面
においてGaAe側に誘起される二次元電子ガス濃度の
X依存性は小さくなる。
第2に、EDが最大値付近にあるため、 AtxGal
−XAs混晶中の自由電子濃度は最小となる。
第3図に、Slを2 X 1 o11/caドーピング
したAtxGal−xAs混晶の室温における電子濃度
のX依存性を示す。ここでも、Xの変化、即ちKDの変
化に対応して電子濃度の低下が見られ、Xを0.35≦
X≦0.5の範囲に選択した場合の電子濃度は0.2≦
X≦0.3の場合に比較して115〜1/10となる。
第3に、X≧0.35の領域では電子の移動度が約10
0cνv−secであp、X=03の場合と比較しても
約175にすぎない。従って、電気伝導度で比較すると
、0゜35≦X≦0.5の場合は0.2≦X≦0.3の
場合の1/25以下となる。
これらの作用から、SiをドーピングしたAtxGa、
 XAII混晶とGaAsとから成るヘテロ接合゛にお
いて、At組組成分0.35≦X≦0.5の範囲に選ぶ
ことによシ、製造工程のばらつきから生じるXの変動が
二次元電子ガス濃度に与える影響を最小限にすることが
でき、その制御性、再現性および大面積薄膜の面内均一
性を向上させることができる。
これは特に集積回路用高品質薄膜を製造する上で極めて
有用である。
一例としてこの種のへテロ接合を有する半導体薄膜を室
温で動作する電界効果トランジスタに応用した場合につ
いて素子特性上の効果を第4図および第5図を用いて説
明する。
第4図はこのような電界効果トランジスタの構造を示す
断面図でアシ、同図において、11は半絶縁性のGaA
s基板、12はこのGaAs基板上に形成されたへテロ
接合を有する半導体薄膜で、GaAs基板上のノンドー
プGaAs薄膜13およびその上にヘテロ接合したS1
ドープA tX G a 1−XAQ薄膜14から構成
され、ヘテロ接合のGaAa薄膜13の側に二次元電子
ガス層15が形成される。
16.17.1aはそれぞれAtxGILJ XAS薄
M14の上に形成されたソース電極、ショットキーゲー
ト電極、ドレイン電極である。
第5図に、上記トランジスタのドレイン電流−電圧特性
を示す。同図において、(イ)がゲート電圧Ovの場合
、(ロ)、(ハ)、に)と順次絶対値の大きい負のゲー
ト電圧の場合を示し、実線がAzxGal−xAs薄膜
14のA4組組成を0.35≦X≦0.5とした場合の
特性を示す。これを破線で示した従来の0.2≦X≦0
,3の場合の特性と比較すれば、ドレインコンダクタン
スが減少し、特にゲート電圧がov付近の相互インダク
タンスが著しく改善されていることが分る。
以上説明したように、本発明によれば、8tをドーピン
グしたA tX G al−X A a混晶とGaAs
とがら成るヘテロ接合を有する半導体薄膜において、こ
れまで行なわれなかったs1ドナー活性化エネルギーE
DのX依存性の解析結果に基き、Xの値を従来常識とさ
れていた範囲を逸脱して0.35≦X≦0.5の範囲に
選択したことにより、GaAs側に形成される二次元電
子ガス濃度の制御性、再現性。
薄膜面内均一性を向上させることができると共にA t
X Ga 1− z A s混晶側を高抵抗化すること
が可能となり、特に集積回路用高品質薄膜に応用して極
めて有用である。
【図面の簡単な説明】
第1図はS1ドープAzxGal−1Ae混晶とGaA
sとから々るヘテロ接合のバンドダイヤグラム、第2図
はAtxGax−xAs混晶中のs1ドナー活性化エネ
ルギーEDのA4組成X依存性を示すグラフ、第3図F
iA tX G a 1z A s混晶の電子濃度のX
依存性を示すグラフ、第4図は上記へテロ接合を有する
半導体薄膜を用いた電界効果トランジスタの構成例を示
す断面図、第5図はこの電界効果トランジスタのドレイ
ン電流−電圧特性を示すグラフである。 111・・・AtXGa1−XA11層、2・・・・G
a As層、6,15・・・−二次元電子ガス層、12
拳・・・ヘテロ接合を有する半導体薄膜、13・・・”
 GaAs薄膜、14 ’ ” ” °A1zGaI 
XAS薄膜。 特許出願人   日本電信電話公社 代理人  山川政樹 第1図 第2図             第3図ae、kAx 第4図 第5図

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 少なくとも一部に不純物としてSlをドーピングしたA
     tX Ga 1− z A s混晶薄膜(0くx≦1
    )とGaAs薄膜とから成るヘテロ接合を有しその接合
    のGa As側に二次元電子ガス層を有する半導体薄膜
    において、Xの値を0.35≦X≦0.5の範囲にした
    ことを特徴とするヘテロ接合を有する半導体薄膜。
JP12176082A 1982-07-13 1982-07-13 ヘテロ接合を有する半導体薄膜 Pending JPS5913376A (ja)

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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