JPS61271874A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPS61271874A
JPS61271874A JP11337185A JP11337185A JPS61271874A JP S61271874 A JPS61271874 A JP S61271874A JP 11337185 A JP11337185 A JP 11337185A JP 11337185 A JP11337185 A JP 11337185A JP S61271874 A JPS61271874 A JP S61271874A
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JP
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gaas
layer
doped
gaas layer
layers
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JP11337185A
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English (en)
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Masanaga Sasa
佐々 誠修
Sukehisa Hiyamizu
冷水 佐寿
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Fujitsu Ltd
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Fujitsu Ltd
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    • H01L29/02Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/36Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the concentration or distribution of impurities in the bulk material
    • H01L29/365Planar doping, e.g. atomic-plane doping, delta-doping
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    • 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
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    • 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】 〔概要〕 この発明は、GaAs/AlAs超格子構造を備える半
導体装置において、 そのGaAs層への不純物導入をアトミックプレーンド
ーピング法によることにより、 キャリア濃度の増大、超格子構造の厚さの減少を実現し
、該半導体装置の特性向上を達成するようにしたもので
ある。
〔産業上の利用分野〕
本発明は半導体装置、特に砒化ガリウム(GaAs)と
砒化アルミニウム(AIAs)とからなる超格子構造を
備える半導体装置の改善に関する。
半導体装置の高速化等を目的として、GaAs、砒化ア
ルミニウムガリウム(AlGaAs)などの化合物半導
体の実用化が進められ、更に不純物ドーピング領域とキ
ャリア移動領域とを空間的に分離し、2次元状態の電子
をキャリアとするヘテロ接合電界効果トランジスタ等の
高移動度の半導体装置が開発されている。
また、例えばレーザ、ホトダイオードなどの光半導体装
置においては、目的とする光に対応するエネルギーバン
ドギャプ等の組合せを実現するためにGaAs5 Al
GaAsなどの化合物半導体が多く用いられている。
しかしながら、このGaAs、 AlGaAsなどの化
合物半導体は従来高いキャリア濃度が得られず、その増
大が強く要望されている。
(従来の技術〕 前記へテロ接合電界効果トランジスタの構造の一例を第
3図+8)に示す。
本従来例では半絶縁性GaAs基板11上に、ノンドー
プのl型GaAsJi12、これより電子親和力が小さ
い砒化アルミニウムガリウム(AlGaAsXMS)層
13、及び不純物濃度が例えば2X10”am−”程度
のn型GaAs層14が設けられている。
AlGaAs層13は、例えばi型GaAs層12との
界面近傍の厚さ約6nmの領域をノンドープとし、その
他の領域に濃度2×101Icffl″3程度のドナー
不純物を含んで、この層から1型GaAs層12へ遷移
した電子によって、ヘテロ接合界面近傍に2次元電子ガ
ス12eが形成される。なおこのためにAlGaAs層
13は電子供給層と呼ばれる。
前記n型GaAs層14上にソース及びドレイン電極1
5が設けられ、この両電極間のn型GaAs層14を選
択的にエツチングしAlGaAs層13に接して設けら
れたゲート電極16により、前記2次元電子ガス12e
の面濃度を制御する。
以上説明した如き従来のへテロ接合電界効果トランジス
タにおいては、2次元電子ガス12eの面濃度がn型A
lGaAs電子供給層13の電子濃度の限界によって制
限され、相互コンダクタンスg、及び電力の増大、雑音
指数の低減などが困難であり、また電子濃度の温度によ
る変化が閾値電圧に現れている。
なお、AlGaAsに不純物をドープして形成される深
いドナー準位は特にDXセンターと呼ばれ、赤外光の照
射後も導電性を失わないなどの特異な性質を示す。
この様な問題に対処するために、電子供給層を前記Al
GaAsから、シリコン(St)をドープしたGaAs
とノンドープのAlAsとからなる超格子構造に置き換
えた、第3図(b)に示す如き構造が報告されている。
〔例えば、小用他、[超格子構造と選択的な不純物ドー
ピングによって化合物半導体の電子密度を上げる」 日
経エレクトロニクス、1985年1月14日号、213
〜240頁〕 本従来例の電子供給層23のノンドープGaAs層12
側の領域23aは、厚さ2.5面のSiドープGaAs
と厚さ1.5nmのノンドープAlAsを交互に積層し
ており、AlAsから約0 、5 nm以内の範囲を除
いてGaAsにStがドープされ、その平均濃度は2X
10”aa−’である。
その上の領域23bでは、AlAsの厚さが1.5nm
から次第に減少してn型GaAs層14との界面でOn
mとなり、真領域合計の厚さは40nmである。
本従来例では、例えば温度77Kにおいて、2次元電子
ガスの電子移動度約9 X 10’cm”/V、s、電
子面温度約8 X 10” cm−”で、前記従来例の
構造の場合の電子面濃度例えば約5 XIO”cm−”
より改善され、温度及び光照射による閾値電圧の変化も
少ないことが報告されている。また更にStのドーピン
グ濃度を8 XIO”(J−’程度まで高め、超格子の
厚さを2pnmに減少可能であると説明されている。
前記の超格子構造等の成長方法として、分子線エピタキ
シャル成長方法(MBE法)が多く適用されるが、MB
E法によってGaAs層にSiをドーピングする場合に
は、例えばGaAs基板の温度を500〜700℃とし
、分子線源のAsを200〜300℃、Gaを900〜
1100℃、Siを1100〜1300℃程度として、
As及びGaのビームとSiのビームとを同時に基板上
に入射させ、成長速度0 、5 am / h程度でG
aAs中にSiを一様にドーピングしている。
前記例の如き超格子構造において、この従来のドーピン
グ法で有効なS i ?!1度は、GaAs層のみにつ
いての平均値で、6XIQ”am−3程度、これによっ
て得られる超格子構造の電子濃度は2 XIO”am−
’程度、ヘテロ接合電界効果トランジスタの2次元電子
ガスの電子面濃度は13 ×l Q l l cll−
寡程度が最大限界である。
〔発明が解決しようとする問題点〕
例えばヘテロ接合電界効果トランジスタについて、これ
を改善する努力が前記例の如く重ねられているが、厚さ
2.5面のGaAs1iのうちSiがドープされる範囲
は1.5amに限られ、得られる電子濃度は未だ十分で
はない。
化合物半導体装置に期待される優れた特性を十分に実現
するために、更に高いキャリア濃度をを達成することが
要望されている。
〔問題点を解決するための手段〕
前記問題点は、第1図に例示する如く、砒化ガリウム層
3Gと砒化アルミニウム層3Aとが交互に積層された超
格子構造を備えて、該砒化アルミニウム層3Aはノンド
ープであり、該砒化ガリウム層3Gに不純物3Dがアト
ミックプレーンドーピングされてなる、 本発明による半導体装置により解決される。
〔作 用〕
本発明では第1図に例示する如(、GaAs/AlAs
超格子構造のGaAs層3Gに、Si等の不純物3Dを
アトミックプレーンドーピング方法によりドーピングす
る。すなわちGaAs層3GのMBB成長中にGaビー
ムを停止してその成長を中断し、Si等の不純物のビー
ムを入射させてその原子を1原子層レベルで被着し、次
いで不純物のビームを停止して再度GaAs層3Gを成
長する。前記従来例と同様にAlAs層3Aはノンドー
プで成長し、超格子構造を形成する。
GaAs半導体層に例えばSiのアトミックプレーンド
ーピングを一面だけ行った場合に、SiO面濃度3X1
0”3−”程度まではSiは完全に活性化され、St面
濃度とともに電子面濃度が直線的に増加する。
Stアトミックプレーンドーピングを周期的に行い、ド
ープ面相互間の間隔を変化させた場合には、間隔が4G
m程度以下になればSiの活性化率が次第に減少し、一
定のSt面濃度に対して電子面濃度は低下するが、単位
体積当たりの電子濃度は間隔の減少に伴って増加して従
来のキャリア濃度の最大限界を超え、例えば2+un程
度以下ではI XIO”am−3以上に達する。この様
に面濃度とドープ面相互間の間隔を選択して、不純物を
アトミックプレーンドーピングすることにより従来の限
界を超えるキャリア濃度が実現される。
更に不純物ドーピング領域の厚さが無視し得て、GaA
s層を従来の3次元的ドーピングの場合より薄くするこ
とが可能であり、例えばヘテロ接合電界効果トランジス
タにおいて高キャリア濃度で薄い電子供給層が実現され
、相互コンダクタンスg、の増大が達成されるなどの効
果が得られる。
〔実施例〕 以下本発明を実施例により具体的に説明する。
第2図(a)は本発明によるヘテロ接合電界効果トラン
ジスタの例を示す模式側断面図、同図(b)はその超格
子構造及びその近傍のエネルギー準位及び2次元電子ガ
スの分布の例を示す図である。
半絶縁性GaAs基板1上に、厚さ例えば0.5n程度
のノンドープのGaAs層2、下記の超格子構造3、及
び例えばStを濃度I XIO”ell−’程度にドー
プし厚さ50nm程度のn型GaAs層4を、MBE法
により例えば成長温度520℃において順次エピタキシ
ャル成長する。
超格子構造3は次の様に構成されている。すなわちノン
ドープのGaAs層2上に、厚さ例えば1.5唾のノン
ドープのAlAs層3Aと、厚さ例えば2.0GmのG
aAs層3Gとを交互に積層して、その合計厚さはディ
ブリーシランモードでも33nm程度以下、例えば約2
7nmに形成され、各GaAs層3Gの中央付近にsi
の面密度約2X10”am−”のアトミックブレーンド
ーピング3Dが行なわれている。この実施例のエネルギ
ー準位及び2次元電子ガス2eの分布は第2図(b)の
如き状態となる。
前記半導体基体に従来技術により、ソース及びドレイン
電極5、ゲート電橋6が設けられる。
本実施例では温度77Kにおいて、2次元電子ガス2e
の電子面温度約1.5X10”cs+−”、電子移動度
約4 XIO’ Cal”/V、3 %相互コンダクタ
ンスgs 200■S/mm程度以上が得られ、前記従
来例に比較してその効果が実証された。
以上の説明はへテロ接合電界効果トランジスタを例とし
ているが、本発明を他の半導体装置、例えば縦型電界効
果トランジスタ、半導体発光装置等に適用して、同様の
効果を収めることができる。
〔発明の効果〕
以上説明した如く本発明によれば、GaAs/AlAs
超格子構造のキャリア濃度を従来以上に高め、かつその
厚さを薄くすることが可能となり、例えば相互コンダク
タンスの増大など、化合物半導体装置の主力であるGa
As系半導体装置の進歩に大きい効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の超格子構造の説明図、第2図(a)は
へテロ接合電界効果トランジスタにかかる本発明の実施
例を示す模式側断面図、 第21図(b)は本実施例のエネルギー準位及び2次元
電子ガスの分布の例を示す図、 第3図(a)及び偽)はへテロ接合電界効果トランジス
タの従来例を示す模式側断面図である。 図において、 1は半絶縁性GaAs基板、 2はノンドープのGaAs層、 2eは2次元電子ガス、 3は超格子構造、 3Aは超格子構造のAlAs層、 3Gは超格子構造のGaAs層、 3Dはアトミックプレーンドーピングされた5i14は
n型GaAs層、 5はソース及びドレイン電極、 6はゲート電極を示す。 早 3  N (レノ

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 砒化ガリウム層(3G)と砒化アルミニウム層(3A)
    とが交互に積層された超格子構造を備えて、該砒化アル
    ミニウム層(3A)はノンドープであり、該砒化ガリウ
    ム層(3G)に不純物(3D)がアトミックプレーンド
    ーピングされてなる、 ことを特徴とする半導体装置。
JP11337185A 1985-05-27 1985-05-27 半導体装置 Pending JPS61271874A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0199435A2 (en) * 1985-02-28 1986-10-29 Fujitsu Limited Field effect semiconductor device

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0199435A2 (en) * 1985-02-28 1986-10-29 Fujitsu Limited Field effect semiconductor device
US4833508A (en) * 1985-02-28 1989-05-23 Fujitsu Limited High electron mobility device with intrinsic AlAs/GaAs superlattice separator region

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