KR970004485B1 - Hetero-junction field effect transistor - Google Patents
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Abstract
요약없음.No summary.
Description
제1도는 종래의 HEMT의 구성도.1 is a block diagram of a conventional HEMT.
제2도는 종래의 펄스도프 MESFET의 구성도.2 is a block diagram of a conventional pulse-doped MESFET.
제3도는 본 실시예 및 종래예의 특성도.3 is a characteristic diagram of this embodiment and a conventional example.
제4도(A) 및 제4도(B)는 HEMT의 에너지밴드차트로서, 제4도(A)는 게이트전압 VGS=0인 경우의 에너지밴드차트, 제4도(B)는 게이트전압 VGS>0이고, 2차원 전자가스의 일부가 n+AlGaAs 층(230)으로 전이한 경우의 에너지밴드차트.4A and 4B show the energy band chart of the HEMT, FIG. 4A shows the energy band chart when the gate voltage VGS is 0, and FIG. 4B shows the gate voltage VGS. Energy band chart when & gt ; 0 and a part of the two-dimensional electron gas is transferred to n + AlGaAs layer 230.
제5도는 제1실시예의 구성도.5 is a configuration diagram of the first embodiment.
제6도(A) 내지 제6도(C)는 제1실시예의 제조공정도.6A to 6C are manufacturing process diagrams of the first embodiment.
제7도는 제2실시예의 구성도.7 is a configuration diagram of the second embodiment.
제8도(A) 및 제8도(B)는 본 발명의 HEMT의 에너지밴드 구조도로서, 제8도(A)는 가스전압 VGS=0인 경우, 제8도(B)는 가스전압 VGS>0인 경우의 에너지밴드구조도.8A and 8B are structural diagrams of the energy band of the HEMT of the present invention. In FIG. 8A, when the gas voltage VGS = 0, FIG. 8B shows the gas voltage VGS>. Energy band structure diagram when 0.
제9도(A) 내지 제9도(C)는 본 발명의 일실시예의 평면형 구조의 HEMT의 제조공정도.9 (A) to 9 (C) are manufacturing process diagrams of the HEMT of the planar structure of one embodiment of the present invention.
제10도는 AlGaAs/GaAs계 HEMT, 펄스도프 MESFET 및 본 발명의 HEMT에 있어서의 (gm)의 게이트바이어스에 대한 의존성을 도시한 그래프.10 is a graph showing the dependence on (gm) gate bias in an AlGaAs / GaAs-based HEMT, a pulsed-doped MESFET, and the HEMT of the present invention.
제11도(A) 내지 제11도(C)는 제3실시예의 평면형 구조의 HEMT의 제조공정도.11A to 11C are manufacturing process diagrams of the HEMT of the planar structure of the third embodiment.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
(110) : 기판,(120) : 버퍼층,110: substrate, 120: buffer layer,
(130a)(130b) : 언도프 GaInAs층,(140) : GaAs층,(130a) (130b): undoped GaInAs layer, (140): GaAs layer,
(142) : n형 GaAs층,(220) : 언도프 AlGaAs 스페이서층,(142): n-type GaAs layer, 220: undoped AlGaAs spacer layer,
(340) : 게이트전국,(350a)(350b) : n+이온주입층,(340): gate nation, (350a) (350b): n + ion implantation layer,
(360) : 소스전국,(370) : 드레인전국(360): source nation, (370): drain nation
본 발명은 반도체장치에 관한 것으로서, 특히 저잡음이고 고속으로 동작하는 헤테로접합 전개효과 트랜지스터(FET) 및 이 FET를 이용한 마이크로파용의 모노리식 집적회로(MMIC)관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to semiconductor devices, and in particular to heterojunction deployment effect transistors (FETs) that operate at low noise and high speed, and to monolithic integrated circuits (MMICs) for microwaves using the FETs.
고속으로 동작하는 트랜지스터로서, 선택적으로 도핑된(선택도프)헤테로접합을 이용한 헤테로접합전계효과 트랜지스터(또는 고전자이동도 트랜지스터(HEMT)가 제안되어 있다. 제1도는 대표적인 AlGaAs/GaAs계의 고전자이동도 트랜지스터의 구조를 도시한 것으로서, 이 구조에 대해서는 이하에 설명한다.As a transistor operating at high speed, a heterojunction field effect transistor (or high electron mobility transistor (HEMT)) using a selectively doped (selected dope) heterojunction has been proposed. The structure of the mobility transistor is shown, which will be described below.
반절연성 GaAs 기판(110)상에는 언도프(undoped) GaAs층(210)이 형성되고, 이 GaAs층(210)위에는 그 GaAs 보다 전자친화력이 적은 AlGaAs층(언도프 AlGaAs 스페이서층)(22)이 형성되어 있다. AlGaAs층은 언도프 AlGaAs 스페이서층(220)과 n형 도펀트(Si, Se 등의 원소)로 도핑된 AlGaAs층(230)으로 구성되고, 이들이 AlGaAs층(210)상에 형성되어 있다. AlGaAs층상에는 게이트전국(250)이 형성되고, 이 게이트전국(250)을 사이에 두고 즉 샌드위치시켜 Si-GAaAs층(260)상에 소스전국(270)과 드레인전국(280)이 형성되어 있다. 이 전국구조는 게이트 전국이 홈(리세스)의 바닥에 형성되어 있기 때문에 리세스형 구조라고 칭하며, HEMT에서는 일반적인 게이트전국구조이다. 이와같은 구조에 의해, AlGaAs/GaAs계면상의 GaAs쪽에 2차원 전자가스(240)가 형성되고, 이것이 드레인-소스채널(전류경로)로서 역할한다. 그래서, 2차원 전자가스(240)의 농도는 게이트전국(250)에 의해 제어되고, 소스전국(270)과 드레인전국(280)간의 전류가 변조된다.An undoped GaAs layer 210 is formed on the semi-insulating GaAs substrate 110, and an AlGaAs layer (undoped AlGaAs spacer layer) 22 having a lower electron affinity than the GaAs is formed on the GaAs layer 210. It is. The AlGaAs layer is composed of an undoped AlGaAs spacer layer 220 and an AlGaAs layer 230 doped with n-type dopants (elements such as Si and Se), which are formed on the AlGaAs layer 210. The gate station 250 is formed on the AlGaAs layer, and the source station 270 and the drain station 280 are formed on the Si-GAaAs layer 260 by sandwiching the gate station 250 therebetween. This national structure is called a recessed structure because the entire gate is formed at the bottom of the groove (recess), and in HEMT, it is a general gate national structure. With this structure, the two-dimensional electron gas 240 is formed on the GaAs side on the AlGaAs / GaAs interface, which serves as a drain-source channel (current path). Thus, the concentration of the two-dimensional electron gas 240 is controlled by the gate station 250, and the current between the source station 270 and the drain station 280 is modulated.
한편, HEMT이외의 구조를 지니고, 저잡음 또 고속으로 동작하는 트랜지스터로서, 전자정보통신학회연구회자료 ED89-152에 펄스도프 MESFET가 보고되어 있다. 펄스도프 MESFET는 Si 펄스도프를 지닌 GaAs층을 채널로서 이용한 것으로서, 제2도에 도시한 구조를 지니고 있으며, 이 구조에 대해서는 이하에 설명한다.On the other hand, as a transistor having a structure other than HEMT and operating at a low noise and at high speed, a pulsed MESFET is reported in the Institute of Electronics and Information Sciences study document ED89-152. The pulse-doped MESFET uses a GaAs layer with Si pulse-dope as a channel, and has a structure shown in FIG. 2, which will be described below.
반절연성 GaAs 기판(110)상에, 캐리어의 도전형이 P형(캐리어밀도 : ∼5×1015㎤)인 언도프 GaAs 버퍼층(310)이 형성되고 Si 도프 GaAs 채널층(∼4×1018cm-3)(320)이 100Å 두께로 형성되어 있다. Si 도프 GaAs 채널층(320)상에는, 캐리어의 도전형이 n형(∼1×1015cm-3)인 언도프 GaAs캡층(330)이 형성되어 있다. 불순물분포의 프로필은, GaAs 버퍼층(310) 및 GaAs캡층(330)에서는 낮고, Si 도프 GaAs층(320)에서는 펄스형상으로 높게 되어 있으므로, 이 구조는 펄스도프 구조라고 불린다. 이와 같은 펄스도프구조상에 게이트전국(340)과, 이 게이트전국(340)에 대해서 자기정합적으로 형성된 n+이온주입층(350a)(350b), 소스전국(360) 및 드레인전국(370)이 형성되어 있다. 이러한 전국구조는, 게이트전국이 평탄하게 되어 있기 때문에 평면형(planar)구조라고 불린다.On the semi-insulating GaAs substrate 110, an undoped GaAs buffer layer 310 having a carrier type P-type (carrier density: ˜5 × 10 15 cm 3) is formed and a Si-doped GaAs channel layer (˜4 × 10 18) cm- 3 ) 320 is formed to a thickness of 100 mm 3 . On the Si-doped GaAs channel layer 320, an undoped GaAs cap layer 330 is formed in which the conductivity type of the carrier is n-type (˜1 × 10 15 cm −3 ). Since the impurity distribution profile is low in the GaAs buffer layer 310 and the GaAs cap layer 330, and high in the shape of a pulse in the Si-doped GaAs layer 320, this structure is called a pulse-doped structure. The gate station 340, the n + ion implantation layers 350a and 350b, the source station 360, and the drain station 370 formed in this manner on the pulsed dope structure are self-aligned with respect to the gate station 340. Formed. This national structure is called a planar structure because the gate nation is flat.
제3도는 AlGaAs/GaAs계 HEMT 및 펄스도프 MESFET의 특성예를 도시한 것으로서, 게이트길이가 0.3㎛인 소자를 사용한 경우의 전달컨덕턴스(gm)의 게이트 바이어스의존성을 나타내고 있다. 펄스도프 MESFET는 게이트바이어스에 대해서 전달 컨덕턴스(gm)의 메사프로필(점선)을 지니고, 바이어스점이 약간 변위될 경우 전달컨덕턴스(gm)의 변화는 적으나, HEMT에 비해 전달컨덕턴스(gm)의 값이 적다. 또, 저잡음소자로서 중요한 역치(Vth)근방의 게이트바이어스에 있어서의 전달컨덕턴스(gm)의 상승에지의 급격성이 HEMT에 비해 열등하다.3 shows an example of the characteristics of AlGaAs / GaAs-based HEMTs and pulse-doped MESFETs, showing the gate bias dependence of the transfer conductance (gm) when an element having a gate length of 0.3 µm is used. Pulsed-doped MESFETs have mesapropyl (dotted line) of the transfer conductance (gm) with respect to the gate bias, and if the bias point is slightly displaced, the change in transfer conductance (gm) is small, but the value of the transfer conductance (gm) is higher than that of HEMT. little. In addition, the sharpness of the rising edge of the transfer conductance gm in the gate bias near the threshold Vth, which is important as a low noise device, is inferior to that of the HEMT.
한편, HEMT는 전달컨덕턴스(gm)의 급격한 상승을 보이고 그의 피크치도 높으나, 게이트바이어스에 대해서 피크형상의 프로필(일점쇄선)을 지니고 있으므로, 바이어스점이 약간 변위되면 전달컨덕턴스(gm)가 크게 저하된다. 이 HEMT의 전달컨덕턴스(gm)의 게이트바이어스가 얕은 쪽에서 저하하는 것은, 2차원전자의 일부가 전자속도가 낮은 AlGaAs층으로 전이하는 "실공간전이"(real space transition)라고 불리는 현상에 기인하고 있다.On the other hand, HEMT shows a sharp rise in the transfer conductance (gm) and its peak value is high, but has a peak-shaped profile (single dashed line) with respect to the gate bias. Therefore, when the bias point is slightly displaced, the transfer conductance (gm) is greatly reduced. The decrease in the gate bias of the transfer conductance (gm) of the HEMT is caused by a phenomenon called "real space transition" in which a part of two-dimensional electrons are transferred to an AlGaAs layer having a low electron velocity. .
제4도는 제1도에 도시한 HEMT의 X-X선을 따른 에너지밴드차트이며, 여기에서, Ec는 전도대의 바닥, Ef는 페르미레벨을 나타낸다. 제4도(A)에 도시한 바와 같이, 언도프 GaAs층(210)의 계면에서 생성된 2차원 전자가스의 일부가, 게이트전압(VGS)을 +쪽으로 높임에 따라, 제4도(B)에 도시한 바와 같이 n+AlGaAs층(230)으로 전이되어 간다. 그결과, 전자이동도가 전체적으로 저하되고, (gm)로 피크치로부터 급격하게 저하된다.4 is an energy band chart along the line XX of the HEMT shown in FIG. 1, where Ec represents the bottom of the conduction band and Ef represents the Fermi level. As shown in FIG. 4A, a portion of the two-dimensional electron gas generated at the interface of the undoped GaAs layer 210 raises the gate voltage VGS to the + side. As shown in FIG. 9, the n + AlGaAs layer 230 is transferred. As a result, the electron mobility decreases as a whole and rapidly falls from the peak value at (gm).
이와 같은 전달컨덕턴스(gm)의 피크형상의 프로필은, HEMT를 이용해서 집적회로를 제작할 때 설계마진이 적고 집적회로(IC)의 수율이 낮아지게 된다고 하는 문제점을 초래한다. 또, HEMT 구조에 있어서는, AlGaAs/GaAs 계면의 급격성이 중요하므로, 자기정합이온주입에 의한 평면형 게이트전국이 채용되지 않는다. 즉, 이온주입된 Si를 활성화하기 위하여 고온에서 어닐링할 필요가 있고, 이 어닐링공정에 있어서, AlGaAs층중의 Al이 GaAs층으로 확산되면, 전자이동도 및 포화속도가 크게 저하되기 때문이다. 따라서, HEMT에 있어서의 게이트전국은 일반적으로 리세스형이며, 이 리세스를 형성할 때의 에칭공정에서의 리세스깊이의 편차가, (Vth)의 편차에 반영된다. 이와 같이 프로세스 마진면에서도, 집적회로를 구성하는 디바이스로서, 종래의 HEMT는 반드시 적합한 것은 아니었다.The peak profile of the transfer conductance gm causes a problem that the design margin is low and the yield of the integrated circuit IC is lowered when the integrated circuit is manufactured using the HEMT. In the HEMT structure, since the sharpness of the AlGaAs / GaAs interface is important, a planar gate station by self-aligned ion implantation is not employed. That is, it is necessary to anneal at high temperature in order to activate ion implanted Si, and in this annealing process, when Al in an AlGaAs layer diffuses into a GaAs layer, electron mobility and saturation speed will fall significantly. Therefore, the gate station in the HEMT is generally a recess type, and the variation in the recess depth in the etching step in forming the recess is reflected in the variation in (Vth). Thus, even in the process margin, the conventional HEMT is not necessarily suitable as a device constituting the integrated circuit.
이상과 같은 점에 비추어서, 본 발명의 목적은 펄스도포 MESFET(넓은 동작범위)와 HEMT(높은 이득)양자의 특성을 지닌 고속의 트랜지스터를 제공하는데 있다.In view of the foregoing, it is an object of the present invention to provide a high speed transistor having the characteristics of a pulsed MESFET (wide operating range) and HEMT (high gain) quantum.
본 발명의 다른 목적은, (gm)이 높고, 또 펄스도프 MESFET와 같이 게이트바이어스에 대한 (gm)의 변화가 적은 HEMT를 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a HEMT having a high (gm) and a small change in (gm) with respect to the gate bias, such as a pulsed-doped MESFET.
상기 목적을 달성하기 위하여, 드레인 전국, 소스전국 및 게이트전국을 지니고, 드레인.소스간의 채널(전류경로)에 흐르는 전류를 게이트전압에 인가된 전압에 의해 제어하는 본 발명의 반도체장치(예를 들면, 전계효과 트랜지스터(FET) 또는 FET를 포함하는 모놀리식 집적회로)에 있어서, n형 도펀트(예를 들면, Si, Se, S 또는 Te)를 함유하는 GaAs층 및 GaAs층을 사이에 샌드위치시키는 언도프 GaInAs층(도펀트를 첨가하지 않은 층, 불순물이 흔입될 경우도 포함)으로 이루어진 채널층(채널이 형성되어 있는 층)과, GaInAs 보다도 전기음성도가 큰 언도프반도체(예를 들면, GaAs, GaInP eHSMS AlGaAs)로 이루어진 버퍼층으로 구성된 것을 특징으로 한다. 또, 상기 채널층은 버퍼층과 게이트전국 사이에 형성되어 있다. 본 발명의 반도체장치는 또한, 상기 게이트전국에 전기적으로 접속되어, GaInAs보다도 밴드갭이 큰 반도체로 이루어진 언도프캡층을 구비해도 된다. 상기 채널층은 n형 도펀트를 함유하는 적어도 1개의 2차원형상의 층, 상기 2차원형상의 층을 사이에 삽입하고 있는 언도프 GaAs층 및 상기GaAs층을 사이에 삽입하고 있는 언도프 GaInAs층으로 구성할 수도 있다.In order to achieve the above object, the semiconductor device of the present invention (e.g., having a drain nation, a source nation, and a gate nation) and controlling a current flowing through a channel (current path) between a drain and a source by a voltage applied to a gate voltage (for example, In a monolithic integrated circuit comprising a field effect transistor (FET) or a FET, a GaAs layer containing an n-type dopant (for example, Si, Se, S or Te) and a GaAs layer are sandwiched therebetween. A channel layer consisting of an undoped GaInAs layer (including a layer without a dopant, even when impurities are introduced), and an undoped semiconductor having a higher electronegativity than GaInAs (for example, GaAs , GaInP eHSMS AlGaAs). The channel layer is formed between the buffer layer and the gate station. The semiconductor device of the present invention may further include an undoped cap layer made of a semiconductor that is electrically connected to the gate station and has a larger bandgap than GaInAs. The channel layer includes at least one two-dimensional layer containing an n-type dopant, an undoped GaAs layer sandwiching the two-dimensional layer, and an undoped GaInAs layer sandwiching the GaAs layer. It can also be configured.
또, 채널층은, n형 도펀트로 도핑된 n형 GaAs층 및 상기 GaAs층을 사이에 삽입하고 있는 GaInAs층으로 구성해도 된다.The channel layer may be composed of an n-type GaAs layer doped with an n-type dopant and a GaInAs layer sandwiching the GaAs layer.
본 발명의 반도체장치를 제조하는 방법은, GaAs기판상에 언도프 GaAs로 이루어진 버퍼층 및 언도프 GaInAs층을 순차 형성하는 공정과, 상기 GaInAs층상에 언도프 GaAs층 및 n형 도펀트가 델타도핑된 델타도프층을 교대로 성장시켜 채널층을 형성하는 공정과, 상기 채널층상에 GaInAs층 및 언도프 GaAs층을 형성하고 상기 언도프 GaAs층상의 소정영역에 게이트전국을 형성하는 공정과, 상기 게이트전국에 대해서 자기정합적으로 이온주입에 의해 소스영역 및 드레인영역을 형성하고 소스전국 및 드레인 전국을 형성하는 공정으로 구성되어 있다.The method of manufacturing a semiconductor device of the present invention comprises the steps of sequentially forming a buffer layer and an undoped GaInAs layer of undoped GaAs on a GaAs substrate, and the delta doped undoped GaAs layer and n-type dopant on the GaInAs layer Forming a channel layer by alternately growing a dope layer, forming a GaInAs layer and an undoped GaAs layer on the channel layer, and forming a gate station in a predetermined region on the undoped GaAs layer; It is composed of a process of forming a source region and a drain region by ion implantation in a self-aligned manner and forming a source nation and a whole drain region.
본 발명의 반도체장치를 제조하는 다른 방법은, GaAs 기판상에 언도프 GaAs로 이루어진 버퍼층 및 언도프 GaInAs층을 순차 형성하는 공정과, 상기 GaInAs층상에 언도프 GaAs층, n형 도펀트가 델타도핑된 델타도프층 및 언도프 GaAs층을 계속 성장시켜 채널층을 형성하는 공정과, 상기 채널층상에 GaInAs층 및 언도프 GaAs층을 형성하고 상기 언도프 GaAs층상의 소정영역에 게이트전국을 형성하는 공정과, 상기 게이트전국에 대해서 자기정합적으로 이온주입에 의해 소스영역 및 드레인 영역을 형성하고 소스전국 및 드레인전국을 형성하는 공정으로 구성되어 있다.Another method of manufacturing a semiconductor device of the present invention comprises the steps of sequentially forming a buffer layer and an undoped GaInAs layer of undoped GaAs on the GaAs substrate, and the undoped GaAs layer, n-type dopant on the GaInAs layer Continuing to grow a delta-doped layer and an undoped GaAs layer to form a channel layer, forming a GaInAs layer and an undoped GaAs layer on the channel layer, and forming a gate station in a predetermined region on the undoped GaAs layer; And forming a source region and a drain region by ion implantation in self-alignment with respect to the gate station, and forming a source station and a drain station.
본 발명의 반도체장치에서는, n형 도펀트를 함유하는 적어도 1개의 2차원형상의 층을 포함하는 GaAs층과 바로 밑에 있는 GaInAs층의 헤테로계면근방에는 2차원 전자가스가 형성된다. 2차원전자가스의 전자는 매우 높은 포화속도를 지니므로, 동작속도가 매우 빠르다. 또, GaInAs층과, GaInAs 보다도 전기음성도가 크고 밴드갭이 큰 반도체로 이루어진 버퍼층에 의헤 헤테로접합이 형성되고, 이 헤테로계면에는 전도대의 에너지장벽이 형성된다. 그 결과, 2차원 전자가스의 전자는 버퍼층으로 유입되기 어렵게 되어, 역치전압(Vth) 근방의 게이트바이어스에 있어서의 전달컨덕턴스(gm)의 상승이 급격하게 된다.In the semiconductor device of the present invention, a two-dimensional electron gas is formed in the vicinity of a hetero interface between a GaAs layer including at least one two-dimensional layer containing an n-type dopant and a GaInAs layer immediately below. The electrons of the two-dimensional electron gas have a very high saturation speed, so the operating speed is very fast. In addition, a heterojunction is formed by a GaInAs layer and a buffer layer made of a semiconductor having a higher electronegativity and a larger bandgap than GaInAs, and an energy barrier of the conduction band is formed on this heterointerface. As a result, electrons of the two-dimensional electron gas are less likely to flow into the buffer layer, so that the transfer conductance gm in the gate bias near the threshold voltage Vth increases rapidly.
또, 채널층은 n형 도펀트를 포함하는 2차원형상의 층 및 언도프 GaAs층의 적층구조를 지니고 있으므로, 드레인전류를 증대시키는 게이트바이어스(양의 전압바이어스)를 인가할 때에 2차원전자의 일부가 실공간전이를 일으켜 GaAs층으로 점프해도, 종래의 Si 도프 AlGaAs층을 이용하고 있는 HEMT에 비해서 전자이동도 및 포화속도의 저하가 억제된다. 또, GaAs층상의 GaInAs층의 양자우물안으로, GaAs층으로 실공간전이된 전자가 떨어져, 2차원 전자가스를 형성하므로, 종래의 HEMT 특유의 게이트바이어스의 양의 전압측에서의 전달컨덕턴스(gm)의 급격한 저하가 방지된다.In addition, since the channel layer has a stacked structure of a two-dimensional layer including an n-type dopant and an undoped GaAs layer, a part of the two-dimensional electrons is applied when a gate bias (positive voltage bias) is applied to increase the drain current. Even if a temporary space transition occurs and jumps to the GaAs layer, the decrease in electron mobility and saturation rate is suppressed as compared to the HEMT using the conventional Si-doped AlGaAs layer. In addition, since the electrons transferred to the GaAs layer in the GaInAs layer on the GaInAs layer are separated from the GaAs layer to form a two-dimensional electron gas, the transfer conductance (gm) on the positive voltage side of the gate bias characteristic of the conventional HEMT is abrupt. Deterioration is prevented.
본 발명의 반도체장치에 의하면, 헤테로계면근방에 2차원전자가스가 형성되고 있으므로, 매우 고속의 동작이 가능하며, 헤테로계면의 전도대의 에너지장벽에 의해 전달컨덕턴스(gm)의 급격한 상승이 가능하다. 또, GaAs층과 GaInAs층과의 헤테로계면의 밴드구조에 의해, 전달컨덕턴스(gm)의 급격한 저하가 방지되고, 넓은 게이트바이어스범위에 걸쳐서 높은 이득과 고속동작을 얻을 수 있다.According to the semiconductor device of the present invention, since the two-dimensional electron gas is formed in the vicinity of the hetero interface, it is possible to operate at a very high speed, and the transfer conductance (gm) can be increased rapidly by the energy barrier of the conduction band of the hetero interface. In addition, the hetero-interface band structure between the GaAs layer and the GaInAs layer prevents a sudden drop in the transfer conductance gm, and high gain and high speed operation can be obtained over a wide gate bias range.
본 발명은 예시용으로만 부여되어 온 발명을 한정하는 것으로 간주되지 않는 첨부 도면과 이하의 상세한 설명으로부터 더욱 완전히 이해될 것이다.The invention will be more fully understood from the accompanying drawings and the following detailed description, which is not to be regarded as limiting the invention which has been given for the purpose of illustration only.
또, 본 발명의 적용범위는 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나, 상기 상세한 설명으로부터 당업자에 의해 본 발명의 정신과 범위내에서 각종 수정과 변형이 가능함은 명백하므로, 본 발명의 바람직한 실시예를 표시하는 상세한 설명 및 특정에는 단지 예시용으로 부여된다는 것을 알 수 있다.Further scope of applicability of the present invention will become apparent from the following detailed description. However, it is apparent from the above description that various modifications and variations can be made by those skilled in the art within the spirit and scope of the present invention, and therefore, it is understood that the description and the specifics indicating the preferred embodiments of the present invention are given only by way of example. .
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 첨부도면을 참조하면서 상세히 설명한다. 전술한 종래예와 동일 또는 유사한 요소에 대해서는 그 설명을 간략화 또는 생략한다. 또, "도프"란 불순물을 첨가하는 것을 의미하고, "언도프"란 불순물을 첨가하지 않은 것을 의미한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail. The same or similar elements as the above-described conventional example will be simplified or omitted. In addition, "doping" means adding an impurity, and "undoping" means not adding an impurity.
제5도에는 본 발명을 전계효과트랜지스터에 적용한 제1실시예가 도시되어 있다. 이 트랜지스터의 특징은, 델타도프층(n형)을 적어도 1개 함유하는 GaAs층(140)의 상하부에 언도프 GaInAs층(130a), (130b)을 배치한 3층구조의 채널층에 있다. 여기에서 델타도프층이란, 불순물을 면형상으로 도핑한 얇은 층으로서, 그 상하부의 층에 대해서 대략 계단형상의 불순물분포를 지닌 층이다.5 shows a first embodiment in which the present invention is applied to a field effect transistor. The transistor is characterized by a three-layer channel layer in which undoped GaInAs layers 130a and 130b are disposed above and below the GaAs layer 140 containing at least one delta-doped layer (n-type). Here, the delta dope layer is a thin layer doped with an impurity in a planar shape, and has a substantially stepped impurity distribution with respect to the upper and lower layers.
이 3층 구조의 채널층의 상하부(언도프 GaInAs층(130a), (130b)에는, 언도프 GaAs층인 캡층(150) 및 버퍼층(120)이 형성되어 있고, 이들은 기판(110)상에 형성되어 있다. 그리고, 펄스도프 MESFET와 마찬가지로, 게이트전국(340)과, 게이트전국에 대해서 자기정합적으로 형성된 n+이온주입층(소스영역 및 드레인영역)(350a), (350b)과, 소스전국(360)과, 드레인전국(370)이 형성되어 있다.In the upper and lower portions (undoped GaInAs layers 130a and 130b) of the three-layered channel layer, a cap layer 150 and a buffer layer 120 which are undoped GaAs layers are formed, which are formed on the substrate 110. Like the pulse-doped MESFET, the gate station 340, the n + ion implantation layers (source and drain regions) 350a and 350b formed in a self-alignment with respect to the gate station, and the source station ( 360 and a drain station 370 are formed.
본 트랜지스터의 전달컨덕턴트(gm)특성은, 제3도에 실선으로 도시한 것과 같이 간주된다. 역치레벨(Vth)근방의 전달컨덕턴트(gm)의 상승이 펄스도프 MESFET 보다도 급격하고, 또 전달컨덕턴트(gm)는 게이트바이어스를 +쪽으로 구동시켜도 억제될 수 있다. 또한, 전달컨덕턴트(gm)는 전체적으로 펄스도프 MESFET 보다도 높은 것으로 간주된다. 즉, 펄스도프 MESFET의 넓은 동작범위와 HEMT의 높은 이득을 결합시킨 특성을 지닌 것으로 간주된다. 이들 특성은 다음의 사항에 의한 것으로 여겨진다.The transfer conductance gm characteristic of the present transistor is regarded as shown by the solid line in FIG. The rise of the transfer conductance gm near the threshold level Vth is more rapid than that of the pulsed-doped MESFET, and the transfer conductance gm can be suppressed even if the gate bias is driven to the + side. In addition, the transfer conductance gm is considered to be higher than that of the pulse-doped MESFET as a whole. In other words, it is considered to have a characteristic that combines the wide operating range of the pulse-doped MESFET with the high gain of the HEMT. These characteristics are considered to be due to the following.
본 트랜지스터는 채널층으로서 3층구조의 채널층을 지니고, GaAs층(140) 및 GaInAs층(130a)의 계면과, 캡층(150)(GaAs) 및 GaInAs층(130b)의 계면에는 2차원전자가스가 형성된다. 2차원 전자가스의 전자는 펄스도프 GaAs층속을 주행하는 것보다도 높은 포화속도를 지닌다. 그결과, 응답속도 또는 동작속도가 빨라진다. 소스전국(360)과 드레인전국(370) 사이에 흐르는 전류 즉, 2차원전자가스의 전자의 주행제어는 게이트전국(340)에 가해진 전압에 의해서 이 계면의 밴드구조를 제어함으로써 수행된다. 이것에 의해서, 전술한 HEMT와 동등한 고속성을 얻을 수 있다.The transistor has a three-layered channel layer as a channel layer, and has a two-dimensional electron gas at an interface between the GaAs layer 140 and the GaInAs layer 130a and an interface between the cap layer 150 (GaAs) and the GaInAs layer 130b. Is formed. The electrons of the two-dimensional electron gas have a higher saturation speed than traveling in the pulsed-doped GaAs layer. As a result, the response or operating speed becomes faster. The driving control of the current flowing between the source station 360 and the drain station 370, that is, the electrons of the two-dimensional electron gas, is performed by controlling the band structure of this interface by the voltage applied to the gate station 340. Thereby, high speed equivalent to the above-described HEMT can be obtained.
GaInAs층(120a)과 버퍼층(120)(GaAs)과의 헤테로계면에는 그 밴드구조간의 차이에 의해, 전도대의 에너지 장벽이 형성되고 있다. 이 에너지장벽에 의해서 전자는 버퍼층(120)에 유입되기 어려우므로, 게이트바이어스가 역치레벨(Vth) 근방인 경우에는 전달컨덕턴트(gm)의 상승이 급격해진다. 이 점이 전술한 MESFET와의 특성상의 차이를 유발하는 원인이다.In the hetero interface between the GaInAs layer 120a and the buffer layer 120 (GaAs), energy barriers are formed in the conduction band due to the difference between the band structures. Because of this energy barrier, electrons are less likely to flow into the buffer layer 120, so that when the gate bias is near the threshold level Vth, the transfer conductance gm rises rapidly. This is the cause of the difference in characteristics with the above-described MESFET.
또, 드레인전류를 증대시키는 게이트바이어스점 즉 게이트바이어스를 +쪽으로 구동시킨 게이트바이어스점에 있어서, GaInAs층(130a)의 2차원전자의 일부가 실공간전이 되어 GaAs층(140)으로 점프해도, 전술한 HEMT의 Si 도프 AlGaAs층처럼 전자이동도 및 포화속도는 저하하지 않는다. 이는, GaAs층(140)이 불순물을 델타도핑한 GaAs층을 함유하고 있기 때문이다. 또, GaAs층(140) 바로밑에는 GaInAs층(130b)이 형성되어 있고, 전자는 전도대의 포텐셜이 낮은 GaInAs층(130b)으로 유입되어, 2차원전자를 형성한다. 이와 같이 해서, 종래의 HEMT특유의 전달컨덕턴스(gm)의 급격한 저하가 방지되어, 게이트바이어스에 대한 넓은 동작범위를 얻을 수 있다. 또, 게이트전국이 평면형 구조이므로, 집적회로를 구성하는 트랜지스터로서 매우 적합하다. 이하, 제6도(A) 내지 제6도(C)의 트랜지스터의 제조공정에 대해서 설명한다. 먼저, 유기금속기상성장법(OMVPE법) 또는 분자빔에피랙셜법(MBE법)을 이용해서, 반절연성 GaAs 기판(110)상에, 캐리어의 도전형이 P형(캐리어밀도는 ∼5×1015㎤의 불순물농도와 거의 동등하다)인 언도프 GaAs로 이루어진 버퍼층(120)을 10,000Å 두께로 형성한다. 그후, 버퍼층(120)상에, 캐리어의 도전형이 n형(캐리어밀도 ∼5×105cm-3)인 언도프 Ga0. 72 In0. 18 As로 이루어진 GaInAs층(130a)을 80Å 두께로 형성한다. 이어서, 캐리어의 도전형이 n형(캐리어밀도 ∼×1015cm-3)인 언도프 GaAs층(140a)을 25Å 두께로 형성한다(제6도(A)).Further, at the gate bias point for increasing the drain current, that is, the gate bias point for driving the gate bias toward the + side, even if a part of the two-dimensional electrons of the GaInAs layer 130a is brought to the real space before the jump to the GaAs layer 140, Like the HE-doped Si-doped AlGaAs layer, electron mobility and saturation rate do not decrease. This is because the GaAs layer 140 contains a GaAs layer delta-doped. A GaInAs layer 130b is formed directly under the GaAs layer 140, and electrons flow into the GaInAs layer 130b having a low potential of the conduction band to form two-dimensional electrons. In this manner, a sudden drop in the transfer conductance gm peculiar to the HEMT is prevented, and a wide operating range with respect to the gate bias can be obtained. Moreover, since the gate station is a planar structure, it is very suitable as a transistor constituting an integrated circuit. Hereinafter, the manufacturing process of the transistor of FIG. 6 (A)-FIG. 6 (C) is demonstrated. First, on the semi-insulating GaAs substrate 110 by using the organometallic vapor phase growth method (OMVPE method) or the molecular beam epitaxial method (MBE method), the conductivity type of the carrier is P type (carrier density is -5 x 10). A buffer layer 120 made of undoped GaAs, which is almost equivalent to an impurity concentration of 15 cm < 3 > Then, on the buffer layer 120, the undoped Ga0. Whose carrier type is n type (carrier density-5 * 10 <5> cm <-3> ). 72 In0. A GaInAs layer 130a made of 18 As is formed to have a thickness of 80 kHz. Subsequently, an undoped GaAs layer 140a having a conductivity type of carrier n-type (carrier density ˜ × 10 15 cm −3 ) is formed to have a thickness of 25 μs (FIG. 6A).
언도프 GaAs층(140al)상에, Si 또는 Se등의 n형 불순물을 델타도핑한 델타도프층(140b1)을 형성한 후, 캐리어 도전형이 n형(캐리어밀도 ∼1×1015cm-3)인 언도프 GaAs층(140a2)을 25Å 두께로 형성한다. 마찬가지 공정을 반복해서, 델타도프층(140b2)과 언도프 GaAs층(140a3)을 형성한다. 그후, 언도프GaAs층(140a3)상에, 캐리어의 도전형이 n형(캐리어밀도 ∼1×1015cm-3)인 언도프 Ga0. 80 In0. 20 As로 이루어진 GaInAs층(130b)을 100Å 두께로 형성한다. 이어서 캐리어의 도전형이 n형(캐리어밀도 !×1015cm-3)인 언도프 GaAs로 이루어진 캡층(150)을 300Å 두께로 형성한다(제6도(B)).On the undoped GaAs layer 140al, after forming a delta-doped layer 140b1 delta-doped n-type impurities such as Si or Se, the carrier conductivity type is n-type (carrier density-1 x 10 15 cm -3). The undoped GaAs layer 140a2 is formed to have a thickness of 25 kHz. The same process is repeated to form the delta-doped layer 140b2 and the undoped GaAs layer 140a3. Then, on the undoped GaAs layer 140a3, the undoped Ga0. Whose carrier type is n type (carrier density-1 * 10 <15> cm <-3> ). 80 In0. A GaInAs layer 130b made of 20 As is formed to have a thickness of 100 GPa. Subsequently, a cap layer 150 made of undoped GaAs having an n-type conductivity (carrier density! X10 15 cm -3 ) of a carrier is formed to have a thickness of 300 mm 3 (B).
제6도(B)의 어피텍셜구조상에 게이트전국(340)을 형성한다. 그리고, n+이온주입층(소스영역 및 드레인영역)(350a), (350b)과 소스전국(360) 및 드레인전국(370)을 게이트전국(340)에 대해서 자기정합적으로 형성하여 트랜지스터를 완성한다(제6도(C)).A gate station 340 is formed on the epitaxial structure of FIG. 6B. The transistor is completed by forming n + ion implantation layers (source region and drain region) 350a, 350b, and source nation 360 and drain nation 370 with respect to gate nation 340. (Fig. 6 (C)).
본 제조공정에서는, 이온주입후의 어닐링공정에서도, 채널의 재료로서 A1을 함유하는 반도체를 이용하지 않으므로, 전자이동도 및 포화속도의 저하가 억제된다.In this manufacturing step, even in the annealing step after ion implantation, no semiconductor containing A1 is used as the material of the channel, so that the decrease in electron mobility and saturation speed is suppressed.
이와 같이, HEMT 및 펄스도프 MESFET의 각각의 장점을 겸해서 지닌 트랜지스터를 얻는 것이 가능하므로, 저잡음소자, 고주파소자 또는 고속소자로서 유용하다. 또, 집적화에 적합한 에피텍셜구조 및 전국구조로 하는 것이 가능하므로, 예를 들면 MMIC를 구성하는 트랜지스터로서도 유용하다.In this way, it is possible to obtain a transistor having both advantages of the HEMT and the pulse-doped MESFET, which is useful as a low noise device, a high frequency device, or a high speed device. Moreover, since the epitaxial structure and the nationwide structure suitable for integration can be set, it is useful also as a transistor which comprises MMIC, for example.
본 발명은 전술한 제1실시예로 한정되지 않고 각종 변형이 가능하다.The present invention is not limited to the first embodiment described above, and various modifications are possible.
예를 들면, 각 층의 변수는 다양한 값을 위할 수 있으며, 여러 가지로 조합해서 이용해도 된다.For example, the variables in each layer can be for various values and can be used in various combinations.
또, 버퍼층(120)은 트랜지스터의 동작에 직접 기여하지 않지만, 그의 두께는, 그위에 형성될 층의 두께를 고려하면서 결정한다.In addition, the buffer layer 120 does not directly contribute to the operation of the transistor, but its thickness is determined while considering the thickness of the layer to be formed thereon.
GaInAs층(130a), (130b)의 캐리어밀도에 대해서는 배경불순물의 양을 성장장치에 의해 변화시키고, 통상 1016cm-3미만으로 한다. 또, 밴드갭은 GaInAs중의 In의 조성에 변하며, 전자속도는 In의 양이 증가함에 따라 빨라진다. 그러나 In의 조성비는 GaInAs와 GaAs의 격자상수간의 차에 의해 제한되므로, 통상 0.1∼0.3(즉, Ga는 0.9∼0.7)이다. GaInAs층의 두께는 In의 조성이 증가함에 따라 감소하는 임계두께까지로 하면 된다. 본 실시예에서는 200Å까지이며, GaInAs층의 두께는 50∼200Å으로 하면 된다.The carrier density of the GaInAs layers 130a and 130b is changed by the growth apparatus to be less than 10 16 cm -3 . In addition, the band gap varies with the composition of In in GaInAs, and the electron velocity increases as the amount of In increases. However, since the composition ratio of In is limited by the difference between the lattice constants of GaInAs and GaAs, it is usually 0.1 to 0.3 (that is, Ga is 0.9 to 0.7). The thickness of the GaInAs layer may be set to a critical thickness that decreases as the composition of In increases. In this embodiment, the thickness is up to 200 GPa, and the thickness of the GaInAs layer may be 50 to 200 GPa.
또, GaAs층(140)의 캐리어밀도도 성장장치에 의해 변화시키고, 통상 1016cm-3미만으로 한다. 이 층의 두께는 두꺼울수록 바람직하나, 두께가 두꺼울수록 상호컨덕턴스는 감소된다. 또 그위에 형성될 층과의 밸런스를 고려해서, 적절한 범위는 25∼200Å으로 하면된다. 또 캡층(150)의 캐리어 밀도는 1015cm-3미만이다. 또한, 소망의 상호컨덕턴스(gm)를 얻을 수 있도록 결정하면 된다.The carrier density of the GaAs layer 140 is also changed by the growth apparatus, and is usually less than 10 16 cm -3 . The thicker this layer is, the more preferable it is, but the thicker the thickness, the lower the mutual conductance. In addition, in consideration of the balance with the layer to be formed thereon, an appropriate range may be 25 to 200 kPa. The carrier density of the cap layer 150 is less than 10 15 cm -3 . In addition, it is sufficient to determine so as to obtain a desired mutual conductance (gm).
캡층 및 버퍼층은, 언도프 GaAs층의 단층구조대신에 AlGaAs 또는 CaInP등으로 GaAs 보다 전기음성도가 작은 화합물반도체로 이루어진 단층구조 또는 화합물반도체와 GaAs를 조합한 적층구조로 해도 된다.Instead of the undoped GaAs layer, the cap layer and the buffer layer may be a single layer structure composed of a compound semiconductor having a lower electronegativity than GaAs, such as AlGaAs or CaInP, or a laminated structure combining the compound semiconductor and GaAs.
또한, 소망의 역치레벨(Vth)을 지닌 트랜지스터를 제작할 수 있도록 채널층내에 복수층의 델타도프층을 형성해도 된다.Further, a plurality of delta-doped layers may be formed in the channel layer so that a transistor having a desired threshold level Vth can be manufactured.
게이트전국구조는, 상기 실시예에서는 자기정합적인 이온주입에 의해 평면형 구조로 하였으나, 화합물반도체의 콘택트층(예를 들면 Si 도프 GaAs층 또는 Si 도프 GaInAs층)을 지닌 리세스형 구조(제1도)로 해도 된다.In the above embodiment, the gate national structure is a planar structure by self-matching ion implantation, but is a recessed structure having a contact layer (for example, a Si-doped GaAs layer or a Si-doped GaInAs layer) of a compound semiconductor. ) May be used.
또, 채널층의 GaInAs층은 GaInAs 층내에서의 In 조성을 연속적으로 또는 계단 형상으로 변화시킨 구조로 해도 된다. 이와 같이 하면, GaAs 및 GaInAs의 결정격자의 격자배열불량이 완화되어, 전자이동도가 향상된다.In addition, the GaInAs layer of the channel layer may have a structure in which the In composition in the GaInAs layer is changed continuously or stepwise. In this way, lattice arrangement defects of the crystal lattice of GaAs and GaInAs are alleviated, and the electron mobility is improved.
화학조성에 대해서도, GaInAs는 일반식 Ga1-xInxAs(x>0)로 표현되는 물질을, AlGaAs는 일반식 AlmGa1-mAs(m>0)로 표현되는 물질을, GaInP는 일반식 GarIn1-rP(r0)로 표현되는 물질을 이용할 수 있다.Regarding the chemical composition, GaInAs is a material represented by the general formula Ga 1-x In x As (x> 0), and AlGaAs is a material represented by the general formula Al m Ga 1-m As (m> 0). Is the general formula G ar In 1-r P (r The substance represented by 0) can be used.
이하, 본 발명의 제2실시예에 대해 설명한다.Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described.
제7도에 도시한 바와 같이, 본 트랜지스터의 구조에 있어서는, 버퍼층(120)상에, 언도프 InxGa1-xAS층(130a)(0<x1), 불순물이 도핑된 n형 GaAs층(132), 언도프 Iny Ga1-yAS층(130b)(0<y1) 및 캡층(150)이 순차 적층되어 있고, 이 캡층(150)상에는 게이트전국(340), 소스전국(360) 및 드레인전국(370)이 형성되어 있다.As shown in FIG. 7, in the structure of the transistor, the undoped In x Ga 1-x AS layer 130a (0 < x) is formed on the buffer layer 120. 1), n-type GaAs layer 132 doped with impurities, undoped Iny Ga 1-y AS layer 130b (0 <y 1) and the cap layer 150 are sequentially stacked, and a gate station 340, a source station 360, and a drain station 370 are formed on the cap layer 150.
본 트랜지스터의 구조에 있어서는, 언도프 Inx Gal-x AS층(130a)(0<x)과 n형 GaAs층(142)의 계면 또는 언도프 InyGa1-yAs층(130b)(0<y1)과 GaAs층(142)의 계면에 언도프 GaAs 스페이서층을 첨가해도 된다. 이것에 대해서는 후술한다.In the structure of the present transistor, the undoped Inx Gal-x AS layer 130a (0 <x ) And an undoped GaAs spacer layer may be added to the interface between the n-type GaAs layer 142 or the interface between the undoped In y Ga 1-y As layer 130b (0 <y1) and the GaAs layer 142. This will be described later.
제8도(A) 및 제8도(B)는 본 트랜지스터의 밴드도로서, 제8도(A)는 VGS=OV 일때의 밴드도이고, 제8도(B)는 VGS>OV 일때의 밴드도이다.8 (A) and 8 (B) are band diagrams of the present transistor. FIG. 8 (A) is a band diagram when V GS = OV, and FIG. 8 (B) shows a band diagram when VGS> OV. It's a band too.
본 트랜지스터의 구조에 의하면, 게이트바이어스를 +쪽(VGS>0)으로 구동시켜, 드레인저전류를 증대시킨 경우에 있어서, 언도프 InxGa1-xAs층(130a)과의 계면에 생성되 2차원 전자(107)의 일부가 실공간전이하여 불순물 도프 GaAs층(142)으로 점프해도 불순물도프 GaAs층(142)의 바로위에 형성된 InyGa1-yAs층(130b)으로 떨어지므로, 종래의 HEMT 특유의(gm)의 저하를 방지할 수 있다.According to the structure of the transistor, when the gate bias is driven to the + side (VGS> 0) to increase the drain low current, the transistor is generated at the interface with the undoped In x Ga 1-x As layer 130a. Even if a part of the two-dimensional electrons 107 jumps to the impurity-doped GaAs layer 142 due to a real space transition, it falls to the In y Ga 1-y As layer 130b formed directly on the impurity-doped GaAs layer 142. It is possible to prevent the drop in HEMT peculiar to gm.
본 트랜지스터의 제조공정에 대해 제9도(A)∼제9도(C)를 참조하여 설명한다.A manufacturing process of the present transistor will be described with reference to FIGS. 9A to 9C.
반절연성 GaAs 기판(110)상에, 유기금속기상성장법(OMVPE법) 또는 분자빔에피택셜법(MBE법)을 이용해서 캐리어의 도전형이 P형(∼5×1015cm-3)인 언도프 GaAs 버퍼층(120)을 10,000Å 두께로 형성하고, 이어서, 이 GaAs 버퍼층(120)상에 캐리어의 도전형이 n형(∼1×1015cm-3)인 언도프 In0. 18 Ga0. 72 As층(130a)을 형성한 후, Si 도프 GaAs층(142)(4×1018cm-13)을 100Å 두께로 형성한다(제9도(A)). 상기 Si 도프 GaAs층(142)상에 캐리어의 도전형이 N형(∼1×1015cm-3)인 언도프 In0. 20 Ga0. 80 As층(130b)을 100Å 두께로 형성한 후, 캐리어의 도전형이 n형(∼1×1015cm-3)인 언도프 GaAs캡층(150)을 300Å 두께로 형성한다(제9도(B)). 이와 같은 적층에페택셜구조상에, 게이트전국(34)을 형성하고, 이 게이트전국에 대해서 자기정합적으로 n+이온주입층(350a), (350b)을 형성한 후, 단시간동안 어닐링하고, n+이온주입층(350a), (350b)상에 소스전국(360) 및 드레인전국(370)을 형성한다. 이와 같이 해서, 평면형 구조의 트랜지스터를 완성한다(제9도(C)).On the semi-insulating GaAs substrate 110, the conductivity type of the carrier is P type (˜5 × 10 15 cm −3 ) by using organometallic vapor phase growth method (OMVPE method) or molecular beam epitaxial method (MBE method). The undoped GaAs buffer layer 120 was formed to a thickness of 10,000 Å. Then, on the GaAs buffer layer 120, the undoped In0.O-type having a conductivity type of n-type (˜1 × 10 15 cm −3 ). 18 Ga0. After the 72 As layer 130a is formed, a Si-doped GaAs layer 142 (4 x 10 18 cm -13 ) is formed to a thickness of 100 microseconds (FIG. 9A). The undoped In0. Wherein the conductivity type of the carrier on the Si-doped GaAs layer 142 is N type (˜1 × 10 15 cm −3 ). 20 Ga0. After the 80 As layer 130b is formed to have a thickness of 100 GPa, an undoped GaAs cap layer 150 having a conductivity type of n-type (˜1 × 10 15 cm −3 ) is formed to have a thickness of 300 GPa (FIG. 9 ( B)). On this stacked epitaxial structure, a gate station 34 is formed, and n + ion implantation layers 350a and 350b are formed in self-alignment with respect to the gate station, followed by annealing for a short time, and n +. The source station 360 and the drain station 370 are formed on the ion implantation layers 350a and 350b. In this way, a transistor having a planar structure is completed (FIG. 9C).
본 실시예에 있어서, 각 층의 변수는 제1실시예여서와 마찬가지로 각종 값을 취할 수 있으며, 여러 가지로 조합해도 이용해도 된다.In this embodiment, the variable of each layer can take various values similarly to the first embodiment, and may be used in various combinations.
또, 본 제조공정에 있어서, Si 도프 GaAs층(142)과 InGaAs층(130a), (130b)과의 결자정합불량이 문제로 되나, 층의 두께가 충분히 얇으면 격자정합불량은 무시될 수 있는 것으로 보고되어 있다(J.J. Rosenberg et al, IEEE Electron Device Letters, pp491-492, Vo1. EDL-6, No. 10, October 1985).In addition, in the present manufacturing process, defects in the crystal matching between the Si-doped GaAs layer 142 and the InGaAs layers 130a and 130b become a problem, but when the thickness of the layer is sufficiently thin, the lattice matching defect can be neglected. (JJ Rosenberg et al, IEEE Electron Device Letters, pp 491-492, Vo 1. EDL-6, No. 10, October 1985).
Si 도프 GaAs층(142) 바로아래에 In0. 18 Ga0. 72 As층(130a)을 삽입함으로써 GaAs/InGaAs 계면에 2차원 전자가스가 형성되므로, 전자는, Si 도프 GaAs층(142)속을 주행하는 것보다도 빠르게 이동하여 높은 포화속도를 지닌다. 또, In0. 18 Ga0. 72 As층(130a)과 버퍼층(120)과의 헤테로계면에 전도대의 에너지장벽이 형성되므로, 전자는 버퍼층(120)으로 유입되기 어렵게 되어, (Vth) 근방의 게이트바이어스에 있어서도, (gn)의 상승을 급격하게 할 수 있다.Immediately below the Si-doped GaAs layer 142. 18 Ga0. Since the two-dimensional electron gas is formed at the GaAs / InGaAs interface by inserting the 72 As layer 130a, the electrons move faster than traveling in the Si-doped GaAs layer 142 and have a high saturation speed. In0. 18 Ga0. Since the energy barrier of the conduction band is formed at the hetero interface between the 72 As layer 130a and the buffer layer 120, electrons are less likely to flow into the buffer layer 120, and even in the gate bias near (Vth), The ascent can rise sharply.
또, 게이트바이어스를 +쪽으로 구동시켜 드레인전류를 증대시킨 경우에는, 2차원 전자의 일부가 실공간전이하여 Si 도프 GaAs층(142)으로 점프해도, Si 도프 GaAs층 바로위에 IN0.20Ga0.80As층(130b)을 삽입함으로써 IN0.20Ga0.80As층(130b)으로 떨어지므로, 종래의 HEMT 특유의 (gm)의 급격한 저하를 방지할 수 있다.In addition, in the case where the gate bias is driven to the + side to increase the drain current, an IN 0.20 Ga 0.80 As layer immediately above the Si-doped GaAs layer is obtained even when a part of the two-dimensional electrons jumps to the Si-doped GaAs layer 142 in real space transition. By inserting 130b, it falls to the IN 0.20 Ga 0.80 As layer 130b, so that a sudden drop in gm peculiar to the conventional HEMT can be prevented.
제8도의 밴드구조는 상기 설명한 제1실시예에도 마찬가지로 적용가능하다.The band structure of FIG. 8 is similarly applicable to the first embodiment described above.
이러한 구조를 지닌 트랜지스터에 있어서 게이트전극에 대한 (gm)의 의존성은, 제10도에 실선으로 도시되어 있다. (Vth) 근방의 (gm)의 상승이 불순물도프 MESFET보다도 급격하고, 또 (gm)은 HEMT와 같은 피크형상의 프로필을 지니지 않는다. 또한 게이트바이어스를 +쪽으로 구동해도, (gm)의 완만한 저하를 억제할 수 있으며 또 전체적으로 불순물도프 MESFET보다도 (gm)은 높다.The dependence of (gm) on the gate electrode in the transistor having such a structure is shown by the solid line in FIG. The rise of (gm) near (V th ) is more rapid than that of the impurity doped MESFET, and (gm) does not have a peak profile similar to that of HEMT. Further, even when the gate bias is driven toward the + side, a gentle decrease of (gm) can be suppressed, and (gm) is higher than that of the impurity doped MESFET as a whole.
상기와 같은 특성을 나타내는 본 발명의 고전자이동도 트랜지스터는 매우 우수한 특성을 지니는 것으로 된다.The high electron mobility transistor of the present invention exhibiting the above characteristics has very excellent characteristics.
게이트전극이 온오프 GaAs캡층(150)상에 형성되고, 소스전극(360) 및 드레인전극(370)이 게이트전극(340)에 대해서 자기정합적으로 이온주입영역에 형성되어 있다. 이러한 평면형 구조를 지니기 때문에, 본 트랜지스터는 집적회로를 구성하는 트랜지스터로서 매우 적합하다. 종래의 HEMT에서는, AlGaAs/GaAs 계면의 급격성이 요구되므로 자기정합이온주입에 의한 평면형 구조를 채택할 수 없었다. 이것은 이손주입한 경우, 주입된 Si를 활성화하기 위하여 고온에서 어닐링할 필요가 있으나, 이 어닐링공정에 있어서 AlGaAs층속의 Al이 GaAs층으로 확산하여 전자가 불순물산란을 받아 전자이동도 및 포화속도가 크게 저하하기 때문이다. 본 실시예에서는, 어닐링공정에 있어서 확산이 적은 원자 In을 함유하는 GaAs/InGaAs계 HEMT를 사용함으로써, 평면형 구조가 쉽게 얻어진다.The gate electrode is formed on the on-off GaAs cap layer 150, and the source electrode 360 and the drain electrode 370 are formed in the ion implantation region in a self-aligned manner with respect to the gate electrode 340. Because of this planar structure, the transistor is very suitable as a transistor constituting an integrated circuit. In the conventional HEMT, since the steepness of the AlGaAs / GaAs interface is required, the planar structure by self-aligned ion implantation cannot be adopted. In this annealing process, it is necessary to anneal at high temperature in order to activate the implanted Si, but in this annealing process, Al in the AlGaAs layer diffuses into the GaAs layer, and electrons receive impurity scattering, thereby greatly increasing the electron mobility and saturation rate. It is because it falls. In this embodiment, a planar structure is easily obtained by using a GaAs / InGaAs-based HEMT containing a small amount of diffusion In in the annealing process.
이하, 본 발명의 제3실시예에 대해서 설명한다. 본 실시예의 선행실시예와의 차이점은, 캡층(150)이 생략되고, 각 전국(340), (360), (370)이 언도프 In0.20 Ga0.80 As층(130b)상에 직접 형성되어 있는 점이다(제11도(C)). 이와 같은 구조로 하면, 게이트누설전류가 약간 증가하나, 선행실시예와 거의 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.Hereinafter, a third embodiment of the present invention will be described. The difference from the previous embodiment of the present embodiment is that the cap layer 150 is omitted, and each nationwide 340, 360, and 370 are directly formed on the undoped In0.20 Ga0.80 As layer 130b. (Figure 11 (C)). With this structure, the gate leakage current slightly increases, but an effect almost similar to that of the previous embodiment can be obtained.
이상의 실시예에서는 캡층(150) 및 버퍼층(120)은, 언도프 GaAs의 단층구조이었으나, AlGaAs 또는 InGaP등의 화합물반도체의 단층구조 또는 화합물반도체와 GaAs를 조합시킨 적층구조로 해도 된다.In the above embodiment, the cap layer 150 and the buffer layer 120 have a single layer structure of undoped GaAs, but may be a single layer structure of a compound semiconductor such as AlGaAs or InGaP, or a stack structure in which the compound semiconductor and GaAs are combined.
또, 게이트전국구조도, 상기 실시예에서는 자기정합이온주입을 이용한 평면형 구조였으나, 제11도(A) 또는 제9도(B)에 도시한 바와 같이, 소스전국(360) 및 드레인전국(370)이, 언도프 InyGa1-yAs층(130b) 또는 캡층(150)상에 형성된 오믹(ohmic) 콘택트층(Si 도프 GaAs층 또는 Si 도프 InGaAs층)을 개재해서 형성되고, 또 게이트전국이, 오믹콘택트층의 바닥부에서 노출된 언도프 InyGa1-yAs층(130b) 또는 캡층(130)상에 형성되어 있는 리세스형 구조로 해도 된다.The gate national structure is also a planar structure using self-aligned ion implantation in the above embodiment. However, as shown in Figs. 11A or 9B, the source station 360 and the drain station 370 are shown. ) Is formed through an ohmic contact layer (Si-doped GaAs layer or Si-doped InGaAs layer) formed on the undoped In y Ga 1-y As layer 130b or the cap layer 150, and the gate nationwide. The recessed structure may be formed on the undoped In y Ga 1-y As layer 130b or the cap layer 130 exposed at the bottom of the ohmic contact layer.
또한, 펄스도프 GaAs층(142)의 상하부의 InGaAs층(130a), (130b) 속의 In 조성을, InGaAs층내에서 면과 수직인 방향으로 연속적으로 또는 계단형상으로 변화시켜, GaAs 층과 InGaAs층의 결정격자의 격자정합불량을 완화하여 전자이동도를 개선해도 된다.The In composition in the InGaAs layers 130a and 130b above and below the pulse-doped GaAs layer 142 is changed continuously or stepwise in the direction perpendicular to the plane in the InGaAs layer to determine the GaAs layer and the InGaAs layer. The lattice mismatch of the lattice may be alleviated to improve the electron mobility.
또한, GaAs/InGaAs 계면에, 언도프 GaAs 스페이서층(제1도의 언도프 AlGaAs 스페이서층(220)에 상당하는 것)을 삽입해도 된다.In addition, an undoped GaAs spacer layer (corresponding to the undoped AlGaAs spacer layer 220 in FIG. 1) may be inserted into the GaAs / InGaAs interface.
이상과 같이 스페이서층을 구비한 구조에 의하면, 언도프 GaAs 스페이서층에 의해 간격을 둠으로써, 2차원 전자이동도를 향상시킬 수 있다.According to the structure provided with a spacer layer as mentioned above, two-dimensional electron mobility can be improved by space | interval by an undoped GaAs spacer layer.
본 발명에 의하면, HEMT 및 불순물을 도핑한 MESFET 양자의 장점을 지닌 트랜지스터를 얻을 수 있어, 저잡음소자, 고주파소자 또는 고속소자로서 유용하다. 또, 집적화에 적합한 에피택셜구조 및 전국구조로 할 수 있으므로, 마이크로파 모늘리식 집적회로(MMIC)를 구성하는 트랜지스터로서 유용하다.According to the present invention, a transistor having advantages of both a HEMT and an MESFET doped with impurities can be obtained, which is useful as a low noise device, a high frequency device, or a high speed device. Moreover, since it can be set as the epitaxial structure and national structure suitable for integration, it is useful as a transistor which comprises a microwave square type integrated circuit (MMIC).
이상 설명한 본 발명으로부터, 본 발명을 각종 방식으로 변형시킬 수 있음은 명백하다. 이와 같은 변형은, 본 발명의 정신과 범위로부터 벗어나는 것으로 간주되지 않으며, 당업자에게 명백한 바와 같은 이러한 모든 변형을 다음의 특허청구의 범위내에 포함시키고자 한다.It is apparent from the present invention described above that the present invention can be modified in various ways. Such modifications are not to be regarded as a departure from the spirit and scope of the invention, and are intended to include all such modifications as would be apparent to those skilled in the art within the scope of the following claims.
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