JPS6198020A - Ed type directly coupled mesfet logic circuit - Google Patents

Ed type directly coupled mesfet logic circuit

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JPS6198020A
JPS6198020A JP59219074A JP21907484A JPS6198020A JP S6198020 A JPS6198020 A JP S6198020A JP 59219074 A JP59219074 A JP 59219074A JP 21907484 A JP21907484 A JP 21907484A JP S6198020 A JPS6198020 A JP S6198020A
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JP
Japan
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field effect
effect transistor
gate
type
voltage
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JP59219074A
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Japanese (ja)
Inventor
Tomihiro Suzuki
富博 鈴木
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Sumitomo Electric Industries Ltd
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Sumitomo Electric Industries Ltd
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K19/00Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits
    • H03K19/02Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits using specified components
    • H03K19/08Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits using specified components using semiconductor devices
    • H03K19/094Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits using specified components using semiconductor devices using field-effect transistors
    • H03K19/0952Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits using specified components using semiconductor devices using field-effect transistors using Schottky type FET MESFET

Abstract

PURPOSE:To prevent a failure in operation even when the threshold value of the E-FET of a switch element is almost zero by giving a transfer gate a sufficiently high threshold value in a directly coupled field-effect transistor circuit (DCFL). CONSTITUTION:A logical gate part E-FET5 has its threshold value nearly 0V and also has slight variance and is sometimes at a negative side as to DCFL composed of an N-channel GaAs MESFET. The FET3 constituting the transfer gate, however, has a sufficiently high threshold value, so it never turns on almost at 0V, so that there is no failure in operation when the transfer gate is off. A D-FET4 as a load is a normally on type, so there is not such malfunction that it turns off. Therefore, the variance when the threshold value of the E-FET of the switch element is set almost to 0V is irrelevant to the operation and a high-speed GaAs integrated circuit is manufacture with high yield.

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、超高速動作が可能なGaAsなどの化合物半
導体集積回路に使用されるED型直結MESFET論理
回路に関するものであり、更に詳述するならば、高集積
度の化合物半導体集積回路を歩、留り良く作成できるE
D型直結MESFET論理回路に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Field of Industrial Application The present invention relates to an ED type direct-coupled MESFET logic circuit used in a compound semiconductor integrated circuit such as GaAs capable of ultra-high-speed operation. , which allows you to quickly and easily create high-density compound semiconductor integrated circuits.
This relates to a D-type directly connected MESFET logic circuit.

従来の技術 GaAs集積回路は、GaAsの電子移動度がSiの数
倍と大きいこと、及び半絶縁性の基板が利用可能なこと
により、Si集積回路に比べて高速動作が実現できる。
Conventional GaAs integrated circuits can operate at higher speeds than Si integrated circuits because the electron mobility of GaAs is several times higher than that of Si and because a semi-insulating substrate can be used.

そこで、近年SSISMSIスケールの小規模のGaA
s集積回路は実用化され始めている。
Therefore, in recent years, small-scale GaA on the SSISMSI scale has been developed.
s integrated circuits are beginning to be put into practical use.

しかし、高集積度のGaAs集積回路については歩留り
が低いため実用化が遅れていた。
However, the commercialization of highly integrated GaAs integrated circuits has been delayed due to the low yield.

第1図は、そのような高集積度GaAs集積回路用の回
路として最も有望なI)CFL回路(直結電界効果トラ
ンジスタ論理回路)の1例を示すものである。
FIG. 1 shows an example of an I) CFL circuit (direct-coupled field effect transistor logic circuit), which is the most promising circuit for such a highly integrated GaAs integrated circuit.

図示のDCFL回路においては、負荷抵抗を構成するデ
ィプリーション形の電界効果トランジスタ(以下電界効
果トランジスタをFETと称する)1と、スイッチ素子
を構成するエンハンスメント形のFET2により基本ゲ
ート回路が構成される。
In the illustrated DCFL circuit, a basic gate circuit is constituted by a depletion type field effect transistor (hereinafter referred to as FET) 1 which constitutes a load resistance and an enhancement type FET 2 which constitutes a switch element. .

FETIは、そのドレインが電源に接続され、そのソー
スは、FET2のドレインに接続され、そして、ゲート
はソースに接続されて、ディプリーション形FETIを
導通状態にしている。
FETI has its drain connected to the power supply, its source connected to the drain of FET2, and its gate connected to the source to make the depletion type FETI conductive.

一方、エンハンスメント形FET2めゲートは、入力と
なり、そのドレインは出力となり、ソースを接地されて
いる。
On the other hand, the gate of the second enhancement type FET serves as an input, its drain serves as an output, and its source is grounded.

そして、エンハンスメント形FET2のドレインすなわ
ち出力は、トランスファゲートを構成するエンハンスメ
ント形F、ET3のドレインに接続されている。そのエ
ンハンスメント形FET3のゲートには、クロックパル
スのような転送制御信号が印加され、そして、そのソー
スは、FETI及び2と同様に接続されて構成されてい
るFET4及び5からなる次の基本ゲート回路の人力に
接続されている。
The drain, that is, the output of the enhancement type FET2 is connected to the drains of the enhancement type F and ET3 that constitute the transfer gate. A transfer control signal such as a clock pulse is applied to the gate of the enhancement type FET 3, and its source is connected to the next basic gate circuit consisting of FETs 4 and 5 configured in the same manner as FETI and 2. connected to human power.

かくして、基本ゲート回路とトランスファゲートとを組
合わせることにより、多段の論理ゲートを構成すること
ができ、上記したDCFL回路は、集積回路を構成する
基本回路の1つとなる。
Thus, by combining basic gate circuits and transfer gates, a multistage logic gate can be constructed, and the above-mentioned DCFL circuit becomes one of the basic circuits that constitute an integrated circuit.

ED構成のDCFL回路は、直結構成が可能なため回路
が簡単などの利点を有しており、更に、いわゆるEE構
成のDCFL回路に比較して、スイッチング速度並びに
消費電力の点で優れ、高集積化に適している。
DCFL circuits with ED configuration have advantages such as simple circuits because they can be directly connected.Furthermore, compared to DCFL circuits with so-called EE configuration, they are superior in switching speed and power consumption, and are highly integrated. suitable for

3’1J13が解決しようとする問題点しかしながら、
通常、GaAs集積回路に使用するFETのゲート電極
は、ショットキー接触により実現されるため、DCFL
回路では、ゲート電極に印加可能なハイレベル電圧が、
ショットキー電位障壁以下の低い電圧(#0.7V)に
クランプされ、従って、論理振幅が小さい。このため、
GaA、sMESFETを使用したDCFL回路では、
MESFETのスレシホールド電圧(ドレイン電流が流
れなくなるゲート電圧)の精密な制御が必要となる。特
に、エンハンスメント形FETのスレシホールド電圧を
高速動作が期待できるゼロボルト近傍に設定すると、後
述する理由によりスレシホールド電圧のばらつきに対す
るGaAs集積回路の動作余裕が極端に小さくなり、G
aAs集積回路チップの歩留りが急に低、下してしまう
。これが、GaAs集積回路の実用化に際して最も重要
な問題点であった。
Problems that 3'1J13 attempts to solveHowever,
Normally, the gate electrode of FET used in GaAs integrated circuits is realized by Schottky contact, so DCFL
In the circuit, the high level voltage that can be applied to the gate electrode is
It is clamped to a low voltage (#0.7V) below the Schottky potential barrier, so the logic amplitude is small. For this reason,
In a DCFL circuit using GaA, sMESFET,
Precise control of the MESFET threshold voltage (gate voltage at which drain current stops flowing) is required. In particular, if the threshold voltage of the enhancement type FET is set near zero volts where high-speed operation can be expected, the operating margin of the GaAs integrated circuit against variations in the threshold voltage becomes extremely small for reasons explained later.
The yield of aAs integrated circuit chips suddenly drops. This was the most important problem when putting GaAs integrated circuits into practical use.

そして、この問題は、GaAs半導体集積回路に限らず
、化合物半導体集積回路に共通する問題である。
This problem is not limited to GaAs semiconductor integrated circuits but is common to compound semiconductor integrated circuits.

そこで、本発明は、上記した従来の化合物半導体MES
FETを使用したDCFL回路の問題を解消して、スレ
シホールド電圧のばらつきに対する化合物半導体集積回
路の動作余裕を大きくし、高集積度の化合物半導体集積
回路を歩留り良く作成できるE、D型直結MESFET
論理回路を提供せんとするものである。
Therefore, the present invention utilizes the conventional compound semiconductor MES described above.
E- and D-type direct-coupled MESFETs that solve the problems of DCFL circuits using FETs, increase the operating margin of compound semiconductor integrated circuits against variations in threshold voltage, and enable the production of highly integrated compound semiconductor integrated circuits with high yield.
The purpose is to provide a logic circuit.

問題点を解決するための手段 本発明の発明者は、上記問題を解決すべく、種々研究し
て、DCFL回路方式のGaAs集積回路における動作
不良のうち最も主要なモードを不良解析した。なお、以
下説明することは、GaAs半導体集積回路に限らず、
ほかの化合物半導体集積回路に共通する問題であり、あ
くまでその1例としてGaAs半導体集積回路の場合を
説明する。
Means for Solving the Problems In order to solve the above problems, the inventor of the present invention conducted various studies and analyzed the most major mode of malfunction in GaAs integrated circuits of the DCFL circuit type. Note that what will be explained below is not limited to GaAs semiconductor integrated circuits.
This problem is common to other compound semiconductor integrated circuits, and the case of a GaAs semiconductor integrated circuit will be described as just one example.

ここで第1図に示したDCFL回路の基本ゲート回路に
ついて考察する。上述したように、多段接続されたME
SFETを使用するDCFL回路の各基本ゲート回路の
出力のハイレベル電圧は、MESFETのゲート部分で
構成されるショットキーダイオードの立上り電圧でクラ
ンプされる。
Here, the basic gate circuit of the DCFL circuit shown in FIG. 1 will be considered. As mentioned above, MEs connected in multiple stages
The high level voltage of the output of each basic gate circuit of a DCFL circuit using SFETs is clamped by the rising voltage of a Schottky diode constituted by the gate portion of the MESFET.

一方、各基本ゲート回路の出力のローレベル電圧は、電
源電圧■。0をエンハンスメント1FET2のオン抵抗
とディプリーション形FETIの等価抵抗により分圧し
た電圧で与えられる。そして、そのハイレベル電圧とロ
ーレベル電圧の差(通常の設計では約0.6V)がこの
ゲートの論理振幅となる。
On the other hand, the low level voltage of the output of each basic gate circuit is the power supply voltage ■. 0 divided by the on-resistance of the enhancement 1 FET 2 and the equivalent resistance of the depletion type FETI. The difference between the high level voltage and the low level voltage (approximately 0.6 V in a normal design) becomes the logic amplitude of this gate.

そして、このゲートの論理スレシホールドは、ディプリ
ーション形FETIのドレイン−ソース間電流1ds(
Vg= O)  に相当するドレイン−ソース間電流1
dsをエンハンスメント形FET2に流すために必要な
エンハンスメント形FET2のゲート電圧Vgsである
The logic threshold of this gate is the drain-source current of 1 ds (
Drain-source current 1 corresponding to Vg=O)
This is the gate voltage Vgs of the enhancement type FET 2 necessary for causing the voltage ds to flow through the enhancement type FET 2.

また、論理ゲート回路のスイッチング速度は、電流駆動
能力(FET2の飽和電流1dssとFET1の飽和電
流1dssの差)が大きいほど速いため、通常、エンハ
ンスメント形FET2のスレシホールド電圧vthは、
できる限りゼロボルト近傍(通常+0.05 V程度)
に設定される。
In addition, the switching speed of the logic gate circuit is faster as the current drive capability (the difference between the saturation current 1dss of FET2 and the saturation current 1dss of FET1) is larger, so the threshold voltage vth of the enhancement type FET2 is usually
As close to zero volts as possible (usually around +0.05 V)
is set to

以上のような条件において、GaAsMESFETを使
用したDCFL回路で、数千ゲートクラス以上のLSI
を確実に動作させるためには、MESFETのスレシホ
ールド電圧のばらつきを数十ミリボルト以下に抑える必
要がある。
Under the above conditions, a DCFL circuit using GaAs MESFET can be used for an LSI of several thousand gate class or higher.
In order to operate reliably, it is necessary to suppress variations in the threshold voltage of the MESFET to several tens of millivolts or less.

しかシ、エンハンスメント形FETのスレシホールド電
圧をGaAs集積回路の高速動作が期待されるゼロボル
ト近傍に近づけると、ばらつきを上記の値以下に充分に
抑えこんでも歩留りが急激に悪くなり、実用化をさまた
げる最も大きな障害であった。これは、エンハンスメン
ト形FETのスレシホールド電圧がマイナスになると、
つまりディプリーション形FETになると、論理ゲート
のスイッチ動作が急に不完全となるためであると説明さ
れていた。
However, if the threshold voltage of the enhancement type FET is brought close to zero volts, where high-speed operation of GaAs integrated circuits is expected, the yield will deteriorate rapidly even if the dispersion is sufficiently suppressed to below the above value, making it difficult to put it into practical use. This was the biggest obstacle. This means that when the threshold voltage of the enhancement type FET becomes negative,
In other words, it was explained that this is because when a depletion type FET is used, the switching operation of the logic gate suddenly becomes incomplete.

しかしながら、本発明の発明者が詳細な解析を行った結
果、オフ時のハイレベル電圧が0.7V程度に確保され
挑ば、エンハンスメント形FETがディプリーション側
にずれても、多投接続されたゲートが動作不良を起こさ
ないことが明らかとなった。これはリングオシレータの
発振特性等によっても実際に検証した。
However, as a result of detailed analysis by the inventor of the present invention, if the high-level voltage during off-state is maintained at around 0.7V, even if the enhancement type FET shifts to the depletion side, multiple throw connections will be possible. It has become clear that the gates that have been installed do not cause malfunctions. This was actually verified using the oscillation characteristics of the ring oscillator.

この考え方によるならば、実際のGaAs集積回路にお
いて、エンハンスメント形FETのスレシホールド電圧
をゼロボルト近傍にし、そして、そのスレシホールド電
圧に多少のばらつきがたとえあっても、各ゲート回路は
動作不良を起こさないので、十分な製造余裕度が得れる
はずである。
According to this idea, in an actual GaAs integrated circuit, the threshold voltage of the enhancement type FET is set near zero volts, and even if there is some variation in the threshold voltage, each gate circuit will not malfunction. Since this does not occur, sufficient manufacturing margin should be obtained.

これらの知見に基づいて、GaAs集積回路の不良解析
を更に行った結果、エンハンスメント形FETのスレシ
ホールド電圧がわずかにマイナスになると起こる動作不
良は、主としてトランスファゲートのオフ時動作不良に
よることが明らかとなった。
Based on these findings, we further analyzed the failure of GaAs integrated circuits and found that the malfunction that occurs when the threshold voltage of the enhancement type FET becomes slightly negative is mainly due to the malfunction of the transfer gate when it is turned off. It became.

・本発明は、上記の知見に基づいて発明したものであり
、従来までは同一のスレシホールド電圧で作成されてい
た論理ゲート部とトランスファゲート部のエンハンスメ
ント形FETのスレシホールド電圧を分離し、トランス
ファゲート部のエンハンスメント形FETを確実にノー
マリオフとするものである。
- The present invention was invented based on the above knowledge, and it separates the threshold voltages of the enhancement type FETs in the logic gate section and the transfer gate section, which were conventionally created with the same threshold voltage. , to ensure that the enhancement type FET in the transfer gate section is normally off.

すなわち、本発明によるならば、スイッチ素子を構成す
るエンハンスメント形の第1のショットキーゲート電界
効果トランジスタと、該第1の電界効果トランジスタに
接続されて負荷抵抗として機能するディプリーション形
の第2のショットキーゲート電界効果トランジスタと、
前記第1の電界効果トランジスタに接続されてトランス
ファゲートを構成するエンハンスメント形の第3のショ
ットキーゲート電界効果トランジスタとを具備するED
型直MMESFET論理回路において、前記第1の電界
効果トランジスタは、零近傍のゲート電圧で導通し、前
記第2の電界効果トランジスタは、確実にノーマルオン
となり、更に、前記第3の電界効果トランジスタ、は、
十分に高いゲート電圧で導通ずるように、前記3つの電
界効果トランジスタのスレシホールド電圧を互いに異な
るようになされる。
That is, according to the present invention, a first enhancement type Schottky gate field effect transistor forming a switch element, and a depletion type second field effect transistor connected to the first field effect transistor and functioning as a load resistor. a Schottky gate field effect transistor,
an enhancement-type third Schottky gate field effect transistor connected to the first field effect transistor to constitute a transfer gate;
In the linear MMESFET logic circuit, the first field effect transistor is conductive at a gate voltage near zero, the second field effect transistor is reliably normally on, and the third field effect transistor is teeth,
The threshold voltages of the three field effect transistors are made to be different from each other so that they become conductive at a sufficiently high gate voltage.

誰月 以上のようにED型直結MESFET論理回路において
、トランスファゲートを一構成する第3の電界効果トラ
ンジスタは、十分に高いゲート電圧が印加されない限り
導通しないので、0■前後の電圧でオン・オフする恐れ
はない。従って、スイッチ素子を構成する第1の電界効
果トランジスタ、のスレシホールド電圧をO■近傍に設
定して、大きな電流駆動能力を持てるようしても、論理
回路の動作の不安定は生ぜす、高速で安定な論理動作を
実現できる。
In ED-type direct-coupled MESFET logic circuits, the third field-effect transistor that makes up the transfer gate does not conduct unless a sufficiently high gate voltage is applied, so it turns on and off at a voltage around 0. There is no fear that it will. Therefore, even if the threshold voltage of the first field effect transistor constituting the switch element is set to around 0■ to have a large current drive capability, the operation of the logic circuit will become unstable. High-speed and stable logic operation can be achieved.

実施例 以下添付図面を参照して本発明によるED型直結MES
FET論理回路の実施例を説明する。
ED type direct-coupled MES according to the present invention will be described below with reference to the attached drawings.
An example of a FET logic circuit will be described.

第2図は、第1図に示したED型直結MESFET論理
回路の最小単位をなす基本ゲート回路とトランスファゲ
ートとの半導体集積回路の概略断面図である。なお、第
2図の右半分は、左半分の線(a) −(b)に沿った
断面である。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor integrated circuit including a basic gate circuit and a transfer gate, which constitute the minimum unit of the ED type direct-coupled MESFET logic circuit shown in FIG. Note that the right half of FIG. 2 is a cross section along the line (a)-(b) of the left half.

第2図において、参照番号10は、絶縁性のGaAs基
板であり、そのGaAs基板10には、 n −GaA
s領域12が形成され、そのn−GaAs領域12上に
は、図示のように、オーミック電極16.20が形成さ
れている。なお、オルミック電極16は、第2図の左半
分と右半分とに別体に描かれているが、上述したように
、第2図の右半分は、左半分の線(a) −(b)に沿
った断面であり、第2図に別体に描かれているオーミッ
ク電極16は連続している。
In FIG. 2, reference number 10 is an insulating GaAs substrate, and the GaAs substrate 10 includes n-GaA
An s-region 12 is formed, and ohmic electrodes 16, 20 are formed on the n-GaAs region 12, as shown. The ohmic electrode 16 is drawn separately in the left half and right half of FIG. 2, but as mentioned above, the right half of FIG. ), and the ohmic electrode 16, which is shown separately in FIG. 2, is continuous.

そして、オーミック電極14と16との間には、ショッ
トキー電極22が設けられ、オーミック電極16と18
との間には、ショットキー電極24が設けられ、オーミ
ック電極16と20との間には、ショットキー電極26
が設けられている。
A Schottky electrode 22 is provided between the ohmic electrodes 14 and 16, and a Schottky electrode 22 is provided between the ohmic electrodes 16 and 18.
A Schottky electrode 24 is provided between the ohmic electrodes 16 and 20, and a Schottky electrode 26 is provided between the ohmic electrodes 16 and 20.
is provided.

以上の構成において、オーミック電極14、ショットキ
ー電極22及びオーミック電極16並びにそれら電極の
下の導電領域が、1つのMESFETを構成し、オーミ
ック電極16、ショットキー電極24及びオーミック電
極18並びにそれら電極の下の導電領域が、別の1つの
MESFETを構成し、更に、オーミック電極16、シ
ョットキー電極26及びオーミック電極20並びにそれ
ら電極の下の導電領域が、更に別の1つのMESFET
を構成している。
In the above configuration, the ohmic electrode 14, the Schottky electrode 22, the ohmic electrode 16, and the conductive region under these electrodes constitute one MESFET, and the ohmic electrode 16, the Schottky electrode 24, the ohmic electrode 18, and the conductive region below these electrodes constitute one MESFET. The conductive region below constitutes another MESFET, and the ohmic electrode 16, Schottky electrode 26, and ohmic electrode 20 and the conductive region under these electrodes constitute yet another MESFET.
It consists of

そして、ショットキー電極24の下のn −GaAs領
域部分28の不純物濃度がもっとも高く、オーミック電
極16、ショットキー電極24及びオーミック電極18
並びにそれら電極の下の導電領域により構成されるME
SFETが、確実にノーマルオンとなるディプリーショ
ン形となるようになされている。
The impurity concentration in the n-GaAs region 28 below the Schottky electrode 24 is the highest, and the ohmic electrode 16, the Schottky electrode 24 and the ohmic electrode 18
and the conductive region beneath those electrodes.
The SFET is ensured to be a depletion type that is normally on.

一方、ショットキー電極26の下のn −GaAs領域
部分の不純物濃度がもっとも低くなされて、オーミック
電極16、ショットキー電極26及びオーミック電極2
0並びにそれら電極の下の導電領域により構成されるM
ESFETが、確実にノーマルオフとなるエンハンスメ
ント形となるようになされている。
On the other hand, the impurity concentration in the n-GaAs region below the Schottky electrode 26 is made the lowest, so that the ohmic electrode 16, the Schottky electrode 26, and the ohmic electrode 2
0 and the conductive regions under these electrodes.
The ESFET is ensured to be an enhancement type that is normally off.

そして、ショットキー電極22の下の71−GaAs領
域部分30の不純物濃度は、上記した2つの領域部分の
間の不純物濃度にされ、オーミック電極14、ショット
キー電極22及びオーミック電極16並びにそれら電極
の下の導電領域により構成されるMESFETが、O■
近傍の正のスレシホールド電圧を有するエンハンスメン
ト形となるようになされている。
The impurity concentration of the 71-GaAs region 30 under the Schottky electrode 22 is set to the impurity concentration between the above two regions, and the ohmic electrode 14, the Schottky electrode 22, the ohmic electrode 16, and the The MESFET formed by the lower conductive region is
It is designed to be an enhancement type with a nearby positive threshold voltage.

また、オーミック電極14が接地され、”ショットキー
電極22が入力電極として使用され、オーミック電極1
6とンヨットキー電極24とが互いに接続され、オーミ
ック電極18に駆動電圧Vonが印加され、オーミック
電極20は出力として使用され、そして、ショットキー
電極26は、クロックパルスのような転送制御信号の人
力として使用される。
Also, the ohmic electrode 14 is grounded, the Schottky electrode 22 is used as an input electrode, and the ohmic electrode 1
6 and a Schottky electrode 24 are connected to each other, a driving voltage Von is applied to the ohmic electrode 18, the ohmic electrode 20 is used as an output, and the Schottky electrode 26 is used as a power source for transfer control signals such as clock pulses. used.

かくして、第2図に示す集積回路は、第1図に示すED
型DCFL回路のFETI、2及び3からなる回路を構
成する。すなわち、オーミック電極14、ショットキー
電極22及びオーミック電極16並びにそれら電極の下
の導電領域30が、第1図のスイッチ素子をなすnチャ
ンネル−エンハンスメント形MESFETIを構成し、
オーミック電極16、ショットキー電極24及びオーミ
ック電極18並びにそれら電極の下の導電領域28が、
第1図の抵抗負荷をなすnチャンネル−ディプリーショ
ン形MESFET2を構成し、更に、オーミック電極1
6、ショットキー電極26及びオーミック電極20並び
にそれら電極の下の導電領域が、第1図のトランスファ
ゲートをなすnチャンネル−エンハンスメント形MES
FET3を構成している。
Thus, the integrated circuit shown in FIG.
A circuit consisting of FETI, 2 and 3 of type DCFL circuit is constructed. That is, the ohmic electrode 14, the Schottky electrode 22, the ohmic electrode 16, and the conductive region 30 under these electrodes constitute an n-channel enhancement type MESFETI which forms the switch element of FIG.
The ohmic electrode 16, the Schottky electrode 24, the ohmic electrode 18, and the conductive region 28 under these electrodes,
An n-channel depletion type MESFET 2 serving as a resistive load in FIG. 1 is configured, and an ohmic electrode 1
6. An n-channel enhancement type MES in which the Schottky electrode 26, the ohmic electrode 20, and the conductive region under these electrodes form the transfer gate of FIG.
It constitutes FET3.

以上のように構成することにより、nチャンネルGa八
sM E S F E TからなるDCFL回路におい
て、MESFETのスレシホールド電圧を、論理ゲート
部エンハンスメント形MESFET (スイッチ素子)
、論理ゲート部ディプリーション形MESFET (負
荷抵抗)、トランスファゲート部M E S’ F E
 Tごとに異なるようにして、スイッチ素子MESFE
Tが零近傍の正のゲート電圧で導通し、負荷抵抗MES
FETが確実にノーマルオンとし、更に、トランスファ
ゲートのME’5FETは、論理回路のローレベル電圧
より十分に高いゲート電圧で導通するようにできる。
By configuring as described above, in a DCFL circuit consisting of n-channel Ga 8sMESFET, the threshold voltage of the MESFET can be changed to the logic gate section enhancement type MESFET (switch element).
, logic gate section depletion type MESFET (load resistance), transfer gate section M E S' F E
The switch element MESFE is different for each T.
T conducts at a positive gate voltage near zero, and the load resistance MES
It is possible to ensure that the FET is normally on, and furthermore, that the ME'5FET of the transfer gate conducts at a gate voltage that is sufficiently higher than the low level voltage of the logic circuit.

このようにすることにより、スイッチ素子のMESFE
Tは、高い電流駆動能力を得ることかでき、高速でオン
・オフする。一方、トランスファゲートをなすMESF
ETは、0■近傍にある口    ゛−レベル電圧によ
って導通することはなく、トランスファゲートのオフ時
の動作不良は起きない。
By doing this, the MESFE of the switch element
T can obtain high current drive capability and turn on and off at high speed. On the other hand, MESF, which forms the transfer gate,
ET will not become conductive due to a low level voltage near 0, and no malfunction will occur when the transfer gate is off.

更に、負荷抵抗をなすMESFETは、確実に7−マル
オンにされているので、動作にオフとなったりする誤動
作の恐れは全くない。
Furthermore, since the MESFET forming the load resistance is reliably set to 7-multiple on, there is no fear of malfunction such as turning off during operation.

なお、以上のように構成すると、論理ゲートの出力から
他の人力に至るパスに挿入されるトランスファゲートを
構成するMESFETのチャンネル抵抗が従来より高く
なる。しかし、計算によれば、上記の設定によるトラン
スファゲート部の抵抗増加がGaAs集積回路の速度に
与える影響は軽微である。
Note that with the above configuration, the channel resistance of the MESFET that constitutes the transfer gate inserted in the path from the output of the logic gate to other human power becomes higher than that of the conventional one. However, according to calculations, the increase in resistance of the transfer gate section due to the above settings has only a slight effect on the speed of the GaAs integrated circuit.

以上のように、従来、同一のスレシホールド電圧で作成
されていた論理ゲート部とトランスファゲート部のエン
ハンスメント形FETのスレシホールド電圧を分離し、
トランスファゲート部のエンハンスメント形FETを確
実にノーマリオフとすることにより、従来問題となって
いた不良動作を確実に回避することができる。
As described above, the threshold voltages of the enhancement type FETs in the logic gate section and the transfer gate section, which were conventionally created with the same threshold voltage, are separated, and
By ensuring that the enhancement type FET in the transfer gate section is normally off, it is possible to reliably avoid malfunctions that have been a problem in the past.

従って、論理ゲート部のエンハンスメン)IFETのス
レシホールド電圧をゼロボルト近傍に設定しても、スレ
シホールド電圧のばらつきの動作への影響がほとんどな
いため、動作余裕が従来のものに比べて格段に大きく、
高速のGaAs集積回路を歩留り良く作成できる。
Therefore, even if the threshold voltage of the logic gate enhancer (IFET) is set near zero volts, variations in the threshold voltage have almost no effect on the operation, so the operating margin is much greater than that of conventional ones. greatly,
High-speed GaAs integrated circuits can be produced with high yield.

以上のようなGaAs集積回路は、例えば、次のように
形成することができる。
The GaAs integrated circuit as described above can be formed, for example, as follows.

まず、第3図(a)に示すように、GaAs結晶基板1
0上の、オーミック電極16.18及びショットキー電
極26が形成されるべき場所に、例えば、50KeVの
加電電圧でSlをドーズ量1.2 XIO”cm−2で
イオン注入して、n −GaAs領域12を形成する。
First, as shown in FIG. 3(a), a GaAs crystal substrate 1
For example, ions of Sl are ion-implanted at a dose of 1.2 XIO"cm-2 at an applied voltage of 50 KeV into the locations where the ohmic electrodes 16.18 and the Schottky electrodes 26 are to be formed on the n- A GaAs region 12 is formed.

次いで、第3図(b)に示すように、GaAs結晶基板
10のn型導電領域12の、ショットキー電極22が形
成されるべき場所を中心にオーミック電極14及び16
が形成される場所に及んで、更に、50にeVの加電電
圧でSiをイオン注入して、ドーズ量1.4X1012
Cm−2の濃度に高め、 n ” −GaAs領域30
を形成する。
Next, as shown in FIG. 3(b), ohmic electrodes 14 and 16 are formed in the n-type conductive region 12 of the GaAs crystal substrate 10, centering on the location where the Schottky electrode 22 is to be formed.
Further, Si is ion-implanted at an applied voltage of 50 eV to a dose of 1.4×1012.
Increase the concentration of Cm-2, n”-GaAs region 30
form.

更に、第3図(C)に示すように、GaAs結晶基板1
0のn型導電領域12の、ショットキー電極24が形成
されるべき場所を中心にオーミック電極16及び18が
形成される場所に及んで、更に、50KeVの加電電圧
でSiをイオン注入して、ドーズ量を2 X 1012
cm−2の濃度に高め、n”−GaAs領域28を形成
する。
Furthermore, as shown in FIG. 3(C), a GaAs crystal substrate 1
Furthermore, Si ions were ion-implanted at an applied voltage of 50 KeV into the n-type conductive region 12 of No. 0, centered around the location where the Schottky electrode 24 was to be formed, and extending to the locations where the ohmic electrodes 16 and 18 were to be formed. , the dose is 2 x 1012
The concentration is increased to cm-2 to form an n''-GaAs region 28.

この後FET構造によってはオーミック電極下等に選択
的にイオン注入を追加しソース抵抗を下げることが行わ
れる。上記の注入が終了したのち800’C20分間の
アニールを行って注入イオンを活性化する。
After this, depending on the FET structure, ion implantation is selectively added under the ohmic electrode to lower the source resistance. After the above implantation is completed, annealing is performed at 800'C for 20 minutes to activate the implanted ions.

そのあと、第2図(d)に示すように、導電領域12の
上に、GaAsに対してオーミック接触するAuGeN
iの電極14.16.18及び20を形成する。このA
uGeNiの電極は、例えば、まず、Au−Geを蒸着
し、次いで、Niを蒸着し、200〜500℃でGaA
s表面と合金化し、更にその上にAuを蒸着して形成す
る。
Thereafter, as shown in FIG. 2(d), an AuGe layer is placed on top of the conductive region 12 in ohmic contact with the GaAs.
i electrodes 14, 16, 18 and 20 are formed. This A
For example, uGeNi electrodes are made by first depositing Au-Ge, then depositing Ni, and then depositing GaA at 200 to 500°C.
It is formed by alloying with the s surface and then vapor depositing Au thereon.

次いで、第2図(e)に示すように、導電領域12の上
で、且つ、オーミック電極14.16.18及び20の
間に、導電領域に対してショットキー接触するTi/A
uの電極22.24及び26をそれぞれ形成する。この
Ti/Auの電極22.24及び26は、例えば、蒸着
リフトオフ法を使用して、電極22.24及び26の形
成すべき部分を除く部分にホトレジスト膜を形成し、そ
の上からTi/Auを蒸着し、そのあと、ホトレジスト
膜を除去してTi/Auの電極22.24及び26以外
のTi/Au−蒸着膜を一緒に除去することにより形成
する。
Then, as shown in FIG. 2(e), over the conductive region 12 and between the ohmic electrodes 14, 16, 18 and 20, Ti/A is deposited in Schottky contact with the conductive region.
Form electrodes 22, 24 and 26 of u, respectively. The Ti/Au electrodes 22, 24 and 26 are formed by forming a photoresist film on the parts excluding the parts where the electrodes 22, 24 and 26 are to be formed using, for example, a vapor deposition lift-off method, and then forming a Ti/Au film on top of the photoresist film. is deposited, and then the photoresist film is removed and the Ti/Au deposited film other than the Ti/Au electrodes 22, 24 and 26 is removed together.

以上のように形成された半導体装置のオーミック電極1
6とショットキー電極24とを互いに接続することによ
り、第2図のED型直結MESFET論理回路は完成す
る。
Ohmic electrode 1 of the semiconductor device formed as above
6 and the Schottky electrode 24, the ED type direct-coupled MESFET logic circuit of FIG. 2 is completed.

以上のように構成されたED型直結MESFET論理回
路において1.スイッチ素子を構成するエンハンスメン
ト形MESFETのスレシホールド電圧は、+ 0.0
5 Vであり、負荷抵抗を構成するディプリーションI
MEsFETのスレシホールド電圧は、−0,3Vであ
り、 トランスファゲートを構aするエンハンスメント
形MEsFETのスレシホールド電圧は、+0.3■で
あった。
In the ED type direct-coupled MESFET logic circuit configured as described above, 1. The threshold voltage of the enhancement type MESFET that constitutes the switch element is +0.0
5 V, and depletion I that constitutes the load resistance
The threshold voltage of the MEsFET was -0.3V, and the threshold voltage of the enhancement type MEsFET constituting the transfer gate a was +0.3V.

以上の製造工程において、n −GaAs領域12をイ
オン注入により形成しているが、分子線エピタキシャル
成長(MBE)や有機金属化学気相蒸着法(MOCVD
)などにより形成することもできる。
In the above manufacturing process, the n-GaAs region 12 is formed by ion implantation, but it is also formed by molecular beam epitaxial growth (MBE) or metal organic chemical vapor deposition (MOCVD).
), etc.

なお、GaAs半導体集積回路の場合、MESFETの
ゲート電極を構成するショットキー電極の金属材料は、
Tiに限らず、n型導電領域に対しては仕事関数が大き
く、十分な高さのショットキー障壁を形成する金属、例
えば、AI、 Cr、 Mo、Wなども使用できる。
In addition, in the case of a GaAs semiconductor integrated circuit, the metal material of the Schottky electrode that constitutes the gate electrode of the MESFET is as follows:
In addition to Ti, metals such as AI, Cr, Mo, and W, which have a large work function and form a Schottky barrier of sufficient height for the n-type conductive region, can also be used.

更に、n型導電領域の不純物は、Siだけでなく、5e
SSn、 SなどのGaAsに対してのドナー材料を使
用することができる。
Furthermore, the impurity in the n-type conductive region is not only Si but also 5e
Donor materials for GaAs such as SSn, S, etc. can be used.

以上、本発明をGaAs半導体集積回路で実施した例を
説明したが、本発明は、InPSGaP、 GaSb。
Above, an example in which the present invention is implemented using a GaAs semiconductor integrated circuit has been described, but the present invention also applies to InPSGaP, GaSb.

(nSb、 InAsなどのほかの化合物半導体集積回
路にも適用できることは当業者には明らかであろう。
(It will be clear to those skilled in the art that the present invention can also be applied to other compound semiconductor integrated circuits such as nSb and InAs.

発明の効果 以上の説明から明らかなように、本発明によるED型直
結MESFET論理回路は、トランスファケート部のエ
ンハンスメント形FETを確実にノーマリオフとして、
従来問題となっていた不良動作を確実に回避することが
できるので、論理ゲート部のエンハンスメント形FET
のスレシホールド電圧をゼロボルト近傍に設定しても、
スレシホールド電圧のばらつきの動作への影響がほとん
どないため、動作余裕が従来のものに比べて格段に大き
い。従って、本発明によるED型直結MESFET論理
回路を使用するならば、化合物半導体集積回路を歩留り
良く作成できる。
Effects of the Invention As is clear from the above explanation, the ED type direct-coupled MESFET logic circuit according to the present invention ensures that the enhancement type FET in the transfer section is normally off,
Since it is possible to reliably avoid the defective operation that was a problem in the past, the enhancement type FET in the logic gate section
Even if the threshold voltage is set near zero volts,
Since variations in threshold voltage have almost no effect on operation, the operating margin is much larger than that of conventional devices. Therefore, if the ED type direct-coupled MESFET logic circuit according to the present invention is used, compound semiconductor integrated circuits can be manufactured with high yield.

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

第1図は、本発明が適用できるED型DCFL回路の回
路図であり、 第2図は、本発明を実施したED型DCFL回路の集積
回路の断面図であり、 第3図(a)、ら)、(C)、(d)及び(e)は、第
2図のED型DCFL回路の製造方法の1例を図解する
図である。 〔主な参照番号〕 1.4・ ・ディプリーション形FET。 2.3.5・・エンハンスメント形FET。
FIG. 1 is a circuit diagram of an ED type DCFL circuit to which the present invention can be applied, FIG. 2 is a cross-sectional view of an integrated circuit of an ED type DCFL circuit to which the present invention is implemented, and FIG. 3(a), 3), (C), (d), and (e) are diagrams illustrating an example of a method for manufacturing the ED type DCFL circuit of FIG. 2. [Main reference numbers] 1.4. - Depletion type FET. 2.3.5...Enhancement type FET.

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)スイッチ素子を構成するエンハンスメント形の第
1のショットキーゲート電界効果トランジスタと、該第
1の電界効果トランジスタに接続されて負荷抵抗として
機能するディプリーション形の第2のショットキーゲー
ト電界効果トランジスタと、前記第1の電界効果トラン
ジスタに接続されてトランスファゲートを構成するエン
ハンスメント形の第3のショットキーゲート電界効果ト
ランジスタとを具備するED型直結MESFET論理回
路において、前記第1の電界効果トランジスタは、零近
傍のゲート電圧で導通し、前記第2の電界効果トランジ
スタは、確実にノーマルオンとなり、更に、前記第3の
電界効果トランジスタは、十分に高いゲート電圧で導通
するように、前記3つの電界効果トランジスタのスレシ
ホールド電圧を互いに異なるようにしたことを特徴とす
るED型直結MESFET論理回路。
(1) A first enhancement type Schottky gate field effect transistor forming a switch element, and a depletion type second Schottky gate electric field connected to the first field effect transistor and functioning as a load resistor. In an ED type direct-coupled MESFET logic circuit comprising an effect transistor and an enhancement type third Schottky gate field effect transistor connected to the first field effect transistor to constitute a transfer gate, the first field effect The transistor is conductive at a gate voltage near zero, the second field effect transistor is reliably normally on, and the third field effect transistor is conductive at a sufficiently high gate voltage. An ED type directly connected MESFET logic circuit characterized in that the threshold voltages of three field effect transistors are different from each other.
(2)前記3つの電界効果トランジスタは、nチャンネ
ル型であり、前記第1の電界効果トランジスタのスレシ
ホールド電圧が、前記第2の電界効果トランジスタのス
レシホールド電圧より高く且つ前記第3の電界効果トラ
ンジスタのスレシホールド電圧より低い、零近傍の正の
電圧であることを特徴とする特許請求の範囲第(1)項
記載のED型直結MESFET論理回路。
(2) The three field effect transistors are n-channel type, and the threshold voltage of the first field effect transistor is higher than the threshold voltage of the second field effect transistor, and the threshold voltage of the third field effect transistor is higher than the threshold voltage of the second field effect transistor. The ED type direct-coupled MESFET logic circuit according to claim 1, characterized in that the voltage is a positive voltage in the vicinity of zero, which is lower than the threshold voltage of the field effect transistor.
(3)前記3つの電界効果トランジスタは、化合物半導
体に形成されていることを特徴とする特許請求の範囲第
(1)項または第(2)項記載のED型直結MESFE
T論理回路。
(3) The ED type direct-coupled MESFE according to claim (1) or (2), wherein the three field effect transistors are formed of a compound semiconductor.
T logic circuit.
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