JPS62266874A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPS62266874A
JPS62266874A JP11125586A JP11125586A JPS62266874A JP S62266874 A JPS62266874 A JP S62266874A JP 11125586 A JP11125586 A JP 11125586A JP 11125586 A JP11125586 A JP 11125586A JP S62266874 A JPS62266874 A JP S62266874A
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JP
Japan
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doped
layer
electron gas
semiconductor
semiconductor layer
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Application number
JP11125586A
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English (en)
Inventor
Shigeru Kuroda
黒田 滋
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Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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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
    • H01L29/02Semiconductor 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
    • 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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  • General Physics & Mathematics (AREA)
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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、2次元電子ガスをチャネルとするヘテロ接
合電界効果トランジスタ装置にかかり、その電子供給層
を、ノンドープの半導体層内のヘテロ接合界面からの距
離が6nm以下の位置にトナー不純物をアトミックプレ
ーンドーピングした構造とすることにより、 2次元電子ガスの密度増大と安定性向上とを実現し、該
半導体装置の特性を向上するものである。
(産業上の利用分野〕 本発明は半導体装置、特に選択ドーピング・ヘテロ接合
電界効果トランジスタの改善に関する。
選択ドーピング・ヘテロ接合電界効果トランジスタは高
速デバイスとして強い期待が寄せられているが、そのチ
ャネル電流、伝達コンダクタンスg1等の特性の向上が
要望されている。
〔従来の技術〕
選択ドーピング・ペテロ接合電界効果トランジスタは空
間分離ドーピングとキャリアの界面量子化によってキャ
リア移動度の増大を実現しているが、その−従来例の模
式側断面図を第4図に示す。
すなわちこの従来例では、半絶縁性砒化ガリウム(Ga
As)基板11上に、ノンドープのi型GaAs層12
、これより電子親和力が小さく例えば濃度2XlO”C
l11−1程度にドナー不純物がドープされたn型砒化
アルミニウムガリウム(AIXGat−x^s)屓13
、n型GaAs層14が設けられ、このn型AlGaA
s電子供給層13からi形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。
この半導体基体上にソース、ドレイン電極15とゲート
電極16を設け、ゲート電極16によるショットキ空乏
層で2次元電子ガス12eの面密度Nsを制御してトラ
ンジスタ動作が行われるが、2次元電子ガス12eは不
純物散乱による移動度低下が殆どなく、格子散乱が減少
する例えば77に程度以下の低温において最も高い移動
度が得られる。
この構造において、n型AlGaAs電子供給層13と
i形GaAsチャネル層12との伝導帯のエネルギー準
位差が少ない場合には2次元電子ガス12eの面密度N
sが小さくなるために、通常伝導帯の準位差−を0.2
4eV程度以上、従ってn型へ1.Ga、−、As電子
供給層13のAI組成比Xを0.3程度以上とすること
が望ましいが、他方においてこのAI組成比Xが0.2
5程度より大きいときには、ドープしたSi等のドナー
準位が急激に深くなってドーピング濃度noを増加して
も高いキャリア濃度が得られず、加えて結晶性が劣化す
るために、 ドーピング濃度nD=2 X 101 I
IC「2程度が上限であり、このとき2次元電子ガス1
2eの面密度N5=9.0X10”am−’、電子移動
度μ、l嬌3 X 10’C112/V、3程度となっ
ている。
この半導体基体の各半導体層は通常分子線エピタキシャ
ル成長方法(MBE法)によって形成し、n型AlGa
As電子供給層13にはシリコン(Sj)を一様にドー
ピングしているが、そのi型GaAs層12とのヘテロ
接合界面近傍をノンドープとしてA lGaAsスペー
サ層を設け、2次元電子ガス12eに対するクーロン散
乱を防止する場合がある。この構造では2次元電子ガス
12eの面密度NsがAlGaAsスペーサ層の厚さΔ
tに依存し、Δt=0のときに前記最大値が得られ、Δ
tが増加すれば面密度Nsは減少する。
なお先に述べた深いドナー準位は、200に程度以下で
赤外線が入射すれば電子が伝導帯に励起され、光照射を
停止しても伝導電子がドナー準位に落ちないPPC(p
ersistent photo conductiv
ity)等の現象を示してDXセンターと呼ばれるが、
これにより低温における2次元電子ガス面密度Nsの低
下、従って伝達コンダクタンスg、の低下が現れ、また
光の入射などにより2次元電子ガス面密度Ns、闇値電
圧■い等が変動する現象が現れ、更に低周波雑音の原因
ともなっている。
〔発明が解決しようとする問題点〕
上述の如くヘテロ接合電界効果トランジスタは高い電子
移動度が得られるが2次元電子ガスの面密度Nsが従来
制約されており、伝達コンダクタンスg1、チャネル電
流等の特性向上を実現するために、この制約を越えて面
密度Nsを増大することが強く要望されている。
〔問題点を解決するための手段〕
前記問題点は、ノンドープの第1の半導体層と、該第1
の半導体層より電子親和力が小さいノンドープの第2の
半導体層とが積層形成され、該第2の半導体層内の該両
半専体層のヘテロ接合界面からの距離が6面以下の位置
にドナー不純物がアトミックプレーンドーピングされて
、該ヘテロ接合界面近傍に2次元電子ガスが形成される
本発明による半導体装置により解決される。
〔作 用〕
例えば第1の半導体層をGaAs、第2の半導体層を^
1xGa+−+tAs、x =0.3とし、このAlG
aAs層内にドナー不純物としてSiをアトミックプレ
ーンドーピングしたときに得られる2次元電子ガスの面
密度Ns及び電子移動度μ7の例を、従来例と共に第1
図に示す。同図の横軸はアトミックプレーンドーピング
位置のヘテロ接合界面からの距離及び従来例のノンドー
プスペーサ層の厚さ (何れもΔtとする)を示し、・
はSiブレーンドーピング面濃度NI、s= 4 X 
to”cm−”、◎はNI、s= 2 XIO”cm−
2の例、○は通常の3次元ドーピングによる従来最大値
の例である。
同図に示す如くΔtの同一値について、プレーンドーピ
ングは従来より高い2次元電子ガス面密度Nsが得られ
、この面密度NsはΔむが増大すれば減少するが、例え
ばプレーンドーピング面濃度N。= 4 X IQ”c
m−2ではドーピング位置のヘテロ接合界面からの距離
Δt≦6 nmの場合に、Ns#9.OXIO”am−
2以上の従来得られなかった2次元電子ガス面密度が実
現する。
なお電子移動度μ7は2次元電子ガス面密度Nsの増加
に伴って減少傾向が現れるが、同一のゲート長、ゲート
幅においてμ、XNsに比例する伝達コンダクタンスg
、は後に実施例について例示する様に増大する。
更に本発明によれば第2図のエネルギー図に示す如く、
ヘテロ接合界面近傍の伝導帯ECが高レベル(図では下
方)の位置にドナー不純物ドーピングが局限されており
、擬フエルミ準位E、が温度により変化し、或いはゲー
ト電極に電圧が印加されても、ドナーによるトラップ準
位が擬フエルミ準位E2を横切ることがなく、2次元電
子ガス面密度Ns 、闇値電圧Vtl、の変動を生じな
い。
〔実施例〕
以下本発明を第3図に模式側断面図を示す実施例により
具体的に説明する。
本実施例の半導体基体は、半絶縁性GaAs基板1上に
下記の各半導体層が順次積層してエピタキシャル成長さ
れている。すなわち2は厚さ例えば1−程度のノンドー
プのGaAs層であり、3は本発明による電子供給層で
、例えば厚さ約4amのノンドープAlo、 5Gao
、 Js層3aと厚さ約40nmのノンドープAlo、
 5Gao、 IAs層3cの間に、面濃度Nos#4
 xlQIZcni −”のSiのアトミックプレーン
ドーピング3bを行っている。更に4はSiを濃度no
”” 2 Xl01′Jcm−’程度に一様にドーピン
グしたn型GaAs層である。
この半導体基体に生成される2次元電子ガス2eの面密
度はNs#1.lX10”cm−”が得られている。
この半導体基体上に従来技術によってソース・ドレイン
電極5及びゲート電極6を配設したヘテロ接合電界効果
トランジスタについて、例えば伝達コンダクタンスg、
S#283IIIS/llll11が得られ、比較試料
とした一様ドーピング、Δt=Qで2次元電子ガス面密
度Ns # 9.OX 10” cm−2の半導体基体
を用いてゲート電極の構造、寸法等が等しい試料の伝達
コンダクタンスが、例えばg、= 235m5/mmで
あるのに比較して、本発明による特性向上が実証された
以上の説明はGaAs/AlGaAs系ヘテロ接合電界
効果トランジスタを対象としているが、本発明はこれに
限られるものではなく半導体材料が異なる半導体装置に
ついても、本発明により同様の効果を得ることができる
〔発明の効果〕
以上説明した如く本発明によれば、ヘテロ接合電界効果
トランジスタの2次元電子ガス面密度NS、伝達コンダ
クタンスg、の増大、温度による特性変動の抑制などの
改善が達成され、高速デバイスとして大きい期待が寄せ
られているヘテロ接合電界効果トランジスタの進歩に大
きい効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図は2次元電子ガス面密度及び電子移動度の例を示
す図、 第2図はエネルギー図、 第3図は実施例の模式側断面図、 第4図は従来例の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は本発明による電子供給層、 3a及び3cはノンドープのAIGaAsJW。 3bはStアトミックブレーンドーピング、4はn型G
aAs層、 5はソース、ドレイン電極、 6はゲート電極を示す。 早 2 口

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1)ノンドープの第1の半導体層と、該第1の半導体層
    より電子親和力が小さいノンドープの第2の半導体層と
    が積層形成され、該第2の半導体層内の該両半導体層の
    ヘテロ接合界面からの距離が6nm以下の位置にドナー
    不純物がアトミックプレーンドーピングされて、該ヘテ
    ロ接合界面近傍に2次元電子ガスが形成されることを特
    徴とする半導体装置。2)前記第1の半導体層が砒化ガ
    リウム、前記第2の半導体層が砒化アルミニウムガリウ
    ムから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。
JP11125586A 1986-05-15 1986-05-15 半導体装置 Pending JPS62266874A (ja)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0271563A (ja) * 1988-09-06 1990-03-12 Sony Corp 半導体装置、絶縁ゲート型電界効果トランジスタ及びショットキーゲート型電界効果トランジスタ
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