JPS6289365A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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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、半導体装置にかかり、 2次元電子ガスと2次元正孔ガスとを積層し、かつ分離
して形成し、これを共通のゲート電極で制御することに
より、 高集積密度、低消費電力等を容易に実現するものである
〔産業上の利用分野〕
本発明は半導体装置、特に空間分離ドーピング電界効果
トランジスタのn形チャネルとp形チャネルとを共通の
ゲート電極で制御する化合物半導体装置に関する。
シリコン(Si)の物性に基づく限界を超える高速化な
どを実現するために、電子移動度が大きい砒化ガリウム
(GaAs)などを用いた化合物半導体装置が開発され
ているが、この化合物半導体装置に期待される特性を実
現するために、Si集積回路装置と同等以」二の集積密
度の増大、消費電力の低減などが要望されている。
〔従来の技術〕
化合物半導体装置の一例として、不純物が添加される領
域とキャリアが移動する領域とをペテロ接合界面によっ
て空間的に分離することにより特に低温におけるキャリ
アの移動度を増大して、一層の高速化を実現しているヘ
テロ接合電界効果トランジスタがある。
このペテロ接合電界効果トランジスタの構造の一例を第
3図に示す。半絶縁性GaAs基板11上に、ノンドー
プのi形GaAs層12、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(A]xGa+−x^S)層
13、及び不純物濃度が例えば2 XIO”cm−3程
度のn形GaAs層14が設けられ、AlGaAs層1
3は少なくともその一部分に例えば濃度2 X 10”
cm”3程度のドナー不純物を含んで、この層から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。
前記n形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形GaAs層14を選
択的にエツチングし、AlGaAs層13に接して前記
2次元電子ガス12eの面濃度を制御するゲーI・電極
16が設けられている。
GaAs等の化合物半導体では正孔の移動度が電子の移
動度より大幅に小さく、電界効果トランジスタは従来殆
どnチャネル形に限られているが、Si集積回路装置に
おいては、相補形MO3(CMO5)回路によって低消
費電力化に大きい効果を得るなど、n形チャネルとp形
チャネルとを効果的に用いている。
その1例として、第4図は相補形インバータの回路図を
示し、T、、 T2は相互に反対極性で動作するエンハ
ンスメントモードのMO5電界効果トランジスタ(MO
S FET)であり、例えばトライバT1をnチャネル
形、負荷T2をnチャネル形とする。
この回路で入力電圧VINを十分低くすれば、負荷T2
がオン、ドライバT、がオフとなって出力電圧vout
はVDDにほぼ等しい高電圧となり、また入力電圧VI
Nを十分高くすれば、ドライバT1がオン、負荷T2が
オフとなって出力電圧V。LITはVSSにほぼ等しい
低電圧となる。これら2状態にあるときには殆ど電流が
流れず、ただ状態を遷移するときのみ両MO3FET、
 T+及びT2がオン状態となり電流が流れる。
第5図はCMO5構造の模式側断面図である。n形Si
基板21はフィールド酸化膜22によってnチャネルF
ET及びpチャネルFETの領域が画定され、nチャネ
ルFETの領域にはp−形ウエル層23、−形ソース及
びドレイン領域24、並びにp+形チャネルカット25
が、またpチャネルFETの領域にはp4形ソース及び
ドレイン領域26、並びに−形チャネルカソト27がそ
れぞれ形成されている。更にSi基板21上にゲート酸
化膜28を介してゲート電極29がそれぞれ設けられ、
各ソース及びドレイン領域24.26に絶縁膜30を介
して配線31が配設されている。
CMO3回路では上述の如き構造を必要とするために、
前記利点の反面構造が複雑となり、集積密度が制限され
ている。
〔発明が解決しようとする問題点〕
化合物半導体装置に期待される性能を実現するために、
その素子パターンの縮小、集積密度の向上、消費電力及
びエネルギー(消費電力・動作時間積)の低減等を進め
ることが必要である。
このために相補形回路構成などn形チャネルとp形チャ
ネルとを効果的に用いることも必要であり、しかもこの
場合に前記従来例の(JO3構造の如くトランジスタ2
素子に相当する基板面積を占有せず、高い集積密度が容
易に達成されることが要望される。
〔問題点を解決するための手段〕
前記問題点は、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くドナー不純物を含む第2の半導体
層と、アクセプタ不純物を含む第3の半導体層と、該第
3の半導体層より正孔親和力が大きい第4の半導体層と
が順次積層された半導体基体を備えて、 該第1の半導体層の該第2の半導体層との界面近傍に2
次元電子ガスが形成され、該第4の半導体層の該第3の
半導体層との界面近傍に2次元正孔ガスが形成され、 かつ該2次元電子ガスに接続されるソース及びドレイン
電極と、該2次元正孔ガスに接続されるソース及びトレ
イン電極とがそれぞれ配設されて、該2次元正孔ガス及
び該2次元電子ガスを、該半導体基体に接する共通のゲ
ート電極により制御する本発明による半導体装置により
解決される。
〔作 用〕
本発明による半導体装置は前記第1及び第4の半導体層
は例えばGaAs、前記第2及び第3の半導体層は例え
ばAlGaAsで構成され、そのポテンシャルダイヤグ
ラムは、ゲート電圧Vg=Oのとき第1図(a+、vg
< oのとき第1図(b)、Vg>Oのとき第1図(C
)に例示する如き状態となる。
これらの図において、1は第1の半導体層例えばノンド
ープのGaAs、 2はドナー不純物を含む第2の半導
体層例えばA1゜、3Gao、Js−、3はアクセプタ
不純物を含む第3の半導体層例えばAI。、 5Ga6
. sAs、4は第4の半導体層例えばGaAs、5は
第4の半導体層にショットキ接触するゲート電極であり
、EFはフェルミ準位を示す。
本半導体装置は両チャネルともエンハンスメントモード
とし、ゲート電圧Vg=00ときには2次元電子ガス及
び2次元正孔ガスが形成されないが、Vg<Oのときに
は2次元正孔ガス4hが形成され、Vg>Oのときには
2次元電子ガス1eが形成されて、共通のゲート電極5
でその面濃度を制御しトランジスタ動作を行わせること
ができる。
」二連の如く本半導体装置は積層構造であるにもかかわ
らず、2次元正孔ガス4hすなわちnチャネルと、2次
元電子ガス1eすなわちnチャネルとが空間的に分離さ
れ、1個の共通ずるゲーI・電極5に印加する電圧の極
性により、それぞれのチャネルを備えたヘテロ接合電界
効果トランジスタの動作を得ることができる。
〔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図は本発明の実施例を示す模式側断面図であり、半
絶縁性GaAs基板6上に分子線エピタキシャル成長方
法により、バッファ層を兼ねて厚さが例えば200nm
以上のノンドープのGaAs層1、例えば厚さが20n
mでSiを2 XIO”cm−’程度ドープした八10
. 、、Gao、 ’7八S層2、例えば厚さが10n
mでBeを1×lQI9cm−3程度ドープした^I 
O,5Ga6.563層3、例えば厚さが50nmでB
eをlXl0’7cm−”程度ドープしたGaAs層4
を順次積層している。
この半導体基体をメサエッチングし、例えば金ゲルマニ
ウム/金(AuGe/Au)を用いて合金領域7aがG
aAsJii 1に達するnチャネルのソース及びドレ
イン電極7と、例えば亜鉛/錫(Zn/Sn)を用いて
合金領域8aが八1゜、 5Gao、 5lls層3に
達するnチャネルのソース及びドレイン電極8とを形成
し、更にチタン/白金/金(Ti/Pt/Au)を用い
て、GaAs層4にショットキ接触するゲート電極5を
形成する。
また例えば酸素イオン(0゛)を注入して素子間分離領
域9を形成する。本実施例のnチャネルである2次元電
子ガス1e及びnチャネルである2次元正孔ガス4hは
先に説明した如く形成される。
本実施例では基板6側をnチャネル、ゲート電極5側を
nチャネルとしているが、この構成を反転することも可
能である。なおショットキ空乏層を制御するためにGa
As層4に一様に不純物を導入しているが、この不純物
に濃度勾配を与え或いは部分的に導入して、2次元正孔
ガス4h近傍の不純物を抑制することも可能である。
例えば先に第4図を参照して説明した相補形インバータ
を本実施例のnチャネルをドライバT1、nチャネルを
負51 T 2として構成するなど、本発明の半導体装
置により高い集積密度で相補形回路を構成することがで
きる。また相補形回路に限らず、例えば両チャネルを並
列に用いて論理振幅が大きいスイッチング素子とするな
ど、種々の回路に利用することが可能である。
〔発明の効果〕
以上説明した如く本発明によれば、1個の共通するゲー
ト電極に印加する電圧の極性により、2次元電子ガス、
もしくは2次元正孔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の動作が得られ、高い集積密度をも
って、相補形回路構成による消費電力の低減、大きい論
理振幅動作などを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明による半導体装置のポテンシャルダイヤ
グラム、 第2図は本発明の実施例の模式側断面図、第3図はへテ
ロ接合電界効果トランジスタの模式側断面図、 第4図は相補形インバータの回路図、 第5図はCMO3構造の模式側断面図である。 図において、 1はGaAs層、 2はドナー不純物を含むAlo、 aGao、 745
層、3はアクセプタ不純物を含むAlo、 5Gao、
 5As層、4はGaAs層、 5はゲート電極、 6は半絶縁性GaAs基板、 7及び8はソース及びドレイン電極、 7a及び8aは合金領域、 9は素子間分離領域を示す。 しL                       
                 LILLl   
                         
  田く 一/         按 雲施イ列力撲式用”1断面口 柘2図 1’@3@@イン/\゛−りの口路回 第4■ CMO5構迭の様式イ!□1前面目 莞ぢ 口

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 第1の半導体層と、該第1の半導体層より電子親和力が
    小さくドナー不純物を含む第2の半導体層と、アクセプ
    タ不純物を含む第3の半導体層と、該第3の半導体層よ
    り正孔親和力が大きい第4の半導体層とが順次積層され
    た半導体基体を備えて、該第1の半導体層の該第2の半
    導体層との界面近傍に2次元電子ガスが形成され、該第
    4の半導体層の該第3の半導体層との界面近傍に2次元
    正孔ガスが形成され、 かつ該2次元電子ガスに接続されるソース及びドレイン
    電極と、該2次元正孔ガスに接続されるソース及びドレ
    イン電極とがそれぞれ配設されて、該2次元正孔ガス及
    び該2次元電子ガスを、該半導体基体に接する共通のゲ
    ート電極により制御することを特徴とする半導体装置。
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Cited By (4)

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