DE69317925T2

DE69317925T2 - Transistor mit hoher Elektronengeschwindigkeit

Info

Publication number: DE69317925T2
Application number: DE69317925T
Authority: DE
Inventors: Shigeru Hiramatsu
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1992-02-25
Filing date: 1993-02-25
Publication date: 1998-11-19
Anticipated expiration: 2013-02-26
Also published as: EP0558011A3; EP0558011A2; KR100286093B1; US5406099A; EP0558011B1; KR930018757A; DE69317925D1; JPH05235055A; TW210399B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbundhalbleitereinrichtung und insbesondere einen Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit (welcher nachfolgend als HEMT abgekürzt wird).
Der HEMT, der eine Variante des FET ist und einen selektiv dotierten GaAs/n-AlGaAs- Heteroübergang verwendet, wurde mittlerweile so weit entwickelt, daß mit ihm ein Computer mit sehr hoher Geschwindigkeit und ein Signalverarbeitungssystem mit sehr hoher Geschwindigkeit realisiert werden können. In solch einem HEMT sind eine den Durchtritt von Elektronen erlaubende Kristallregion (z.B. undotiertes GaAs) und eine Elektronen liefernde Kristallregion (z.B. Si-dotiertes n-AlGaAs) durch einen Heteroübergang voneinander getrennt und die Streuung der Elektronen durch Donatorverunreinlgungen ist reduziert, wodurch die Elektronenbeweglichkeit gesteigert und die Hochgeschwindigkeitseigenschalten verbessert werden.
Fig. 1 zeigt schematisch die Bauelementstruktur eines GaAs/AlGaAs-HEMT nach dem Stand der Technik, vgl. Fig.1 der US-A-5028968. Eine undotierte GaAs-Schicht 11 als eine aktive Schicht ist auf einem semiisolierenden GaAs-Substrat 10 geformt. Eine i-AlGaAs- Schicht 12 ist auf der undotierten GaAs-Schicht 11 geformt. Eine Si-dotierte n-AlGaAs- Schicht 13 als eine Elektronen liefernde Schicht ist auf der i-AlGaAs-Schicht 12 geformt. Eine Si-dotierte n-GaAs-Schicht 14 ist auf der n-AlGaAs-Schicht 13 geformt. Ferner sind eine Gateelektrode 15, eine Sourceelektrode 16 und eine Drainelektrode 17 auf der n- GaAs-Schicht 14 geformt. In Fig. list ein schraffierter Bereich unter der Sourceelektrode 16 und der Drainelektrode 17 ein ohmscher Bereich.
Die Bildung eines Strotrikanais (dargestellt durch eine unterbrochene Linie in Fig. 1) für die Realisierung eines FET-Betriebes basiert auf dem Phänomen, daß die von den in der n-Al- GaAs-Schicht 13 als der Elektronen liefernden Schicht hinzugefügten Donatorverunreinigungen gelieferten Elektronen zu der undotierten GaAs-Schicht 11 als der aktiven Schicht bewegt werden und in einem Abschnitt der undotierten GaAs-Schicht 11 in der Nähe der Übergangsgrenzfläche zwischen der n-AlGaAs-Schicht 13 und der undotierten GaAs- Schicht 11 angesammelt werden. Dieser Stromkanal ist ein sogenannter zweidimensionaler Elektronenkanal.
Es gibt eine Tendenz dahin, die Gatelänge Lg immer weiter zu verktirzen, um so eine hohe Leistung des HEMT zu realisieren. Die Reduktion in der Gatelänge Lg verursacht jedoch einen Kurzkanaleffekt derart, daß die zweidimensionalen Elektronen in Richtung auf das Substrat entweichen, so daß die Kennliniensteilheit gm und dementsprechend die Charakteristiken des HEMT verschlechtert werden. Um den Kurzkanaleffekt zu vermeiden, wurden im Stand der Technik die folgenden drei Techniken vorgeschlagen.
(A) Die undotierte GaAs-Schicht als aktive Schicht durch eine p-GaAs-Schicht zu ersetzen.
(B) Die aktive Schicht als einen InGaAs-Verspannungsschichtkanal auszuführen.
(C) Eine i-AlGaAs-Schicht in der undotierten GaAs-Schicht als die aktive Schicht anzuordnen und einen Heteroübergang zu formen.
In der Technik (A) werden die Elektronen in der aktiven Schicht durch die in der aktiven Schicht vorhandenen Verunreinigungen gestreut, so daß die Elektronenbeweglichkeit reduziert wird.
In der Technik (B) ist die Gitterkonstante 4er InGaAs-Schicht verschieden von der der n- GaAs-Schicht und die Verspannung der InGaAs-Schicht steigt mit zunehmender Dicke der InGaAs-Schicht an. Ms Resultat nehmen die Gitterdefekte in der InGaAs-Schicht zu, so daß die Elektronenbeweglichkeit reduziert wird. Dementsprechend ist die Dicke der In- GaAs-Schicht auf eine kritische Dicke von 15 bis 20 nm beschränkt und die InGaAs- Schicht kann nicht dicker gemacht werden. In der InGaAs-Schicht mit solch einer kritischen Dicke ist jedoch die Anzahl der zweidimensionalen Elektronenladungsträger reduziert.
In der Technik (C) wird das zweidimensionale Elektronengas in der Nähe der Heteroübergangs-Grenzfläche zwischen der undotierten GaAs-Schicht und der i-AlGaAs-Schicht gestreut, so daß die Elektronenbeweglichkeit reduziert wird, wodurch die Erzeugung von Rauschen hervorgerufen wird.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verbindungshalbleitereinrichtung mit sehr guten Charakteristiken anzugeben, in welcher ein Kurzkanaleffekt aufgrund einer Reduktion der Gatelänge Lg unterdrückt wird.
Zur Bewältigung der obigen Aufgabe ist gemäß der vorliegenden Erfindung eine In- GaAs/InAlAs-Heteroübergang-Halbleitereinrichtung mit hoher Elektronenbeweglichkeit angegeben, welche ein Substrat; eine erste epitaktische Schicht aus p-Typ-InGaAs, welche auf dem Substrat geformt ist, wobei die erste epitaktische Schicht eine Verunreinigungskonzentration von 1 x 10¹&sup5; ≤ p ≤ 1 x 10¹&sup6; (cm&supmin;³) aufweist; eine zweite epitaktische Schicht aus InGaAs, welche auf der ersten epitaktischen Schicht geformt ist, um den Durchtritt zweidimensionaler Elektronen zu erlauben, wobei die zweite epitaktische Schicht eine Verunreinigungskonzentration von n ≤ 1 x 10¹&sup4; (cm&supmin;³) und p ≤ 1 x 10¹&sup4; (cm&supmin; ³) aufweist; eine undotierte Schicht aus InAlAs, welche auf der zweiten epitaktischen Schicht geformt ist; und eine n-Typ-Schicht aus InAlAs, welche auf der undotierten Schicht aus InAlAs geformt ist, aufweist.
Die erste epitaktische Schicht weist eine Dicke von vorzugsweise 500 bis 1000 um auf und die zweite epitaktische Schicht weist eine Dicke von vorzugsweise 20 bis 100 nm auf.
In dem Verbundhalbleiter der vorliegenden Erfindung sind die sich in der zweiten epitaktischen Schicht bewegenden Elektronen nur in geringem Maße der Streuung durch Verunreinigungen ausgesetzt. Demgemäß kann eine hohe Elektronenbeweglichkeit erreicht werden. Da ferner die erste epitaktische Schicht angeordnet ist, können die zweidimensionalen Elektronen effektiv in der Heteroübergangs-Grenzfläche zwischen der ersten epitaktischen Schicht und der zweiten epitaktischen Schicht eingeschlossen werden. Somit kann ein Kurzkanaleffekt schwerlich auftreten. Da überdies die zweidimensionalen Elektronen sich in einem Abschnitt der zweiten epitaktischen Schicht bewegen, der von der ersten epitaktischen Schicht entfernt liegt, tritt eine Abnahme in der Anzahl der Ladungsträger durch in der ersten epitaktischen Schicht vorhandene Akzeptoren nicht auf. Dementsprechend kann eine hohe Flächen-Ladungsträgerkonzentration erreicht werden.
Andere Aufgaben und Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen zusammen mit den zugehörigen Zeichnungen verständlicher.
Fig. 1 ist eine schematische Schnittansicht eines HEMT nach dem Stand der Technik; und
Fig.2 ist eine schematische Schnittansicht einer Verbundhalbleitereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei die Ansicht im wesentlichen identisch zu der in Fig.2 der US-A-5028968 ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Verbundhalbleitereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Fig.2 zeigt eine schematische Schnittansicht eines HEMT als einer Verbundhalbleitereinrichtung, welche sich von dem "Strahlungsbeständigen GaAs-Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit" der US-A-5028968 hauptsächlich in den Dicken und Verunreimgungskonzentrationen der Halbleiterschichten unterscheidet. Die Halbleitereinrichtung wird durch MOCVD auf die folgende Weise hergestellt. Zuerst wird eine erste epitaktische Schicht 21 auf einem semiisolierenden GaAs-Substrat 10 gebildet. Die erste epitaktische Schicht 21 ist eine p-GaAs-Schicht mit einer Dicke von 500 nm. Die Verunreimgungskonzentration in der ersten epitaktischen Schicht 21 beträgt p = 5 x 10¹&sup5; (cm&supmin;³). Die Verunreinigungskonzentration in der ersten epitaktischen Schicht 21 kann räumlich gleichbleibend oder veränderlich sein.
Dann wird eine zweite epitaktische Schicht 22 auf der ersten epitaktischen Schicht 21 gebildet. Die zweite epitaktische Schicht 22 ist eine i-GaAs-Schicht mit einer Dicke von 50 nm. Die Verunreinigungskonzentration in der zweiten epitaktischen Schicht 22 beträgt n = 1 x 10¹&sup4; (cm&supmin;³) und p = 1 x 10&supmin;&sup4;(cm&supmin;³).
Die erste epitaktische Schicht 21 und die zweite epitaktische Schicht 22 können, zum Beispiel, durch Steuern eines Verhältnisses von AsH&sub3; und Ga(CH&sub3;)&sub3; bei MOCVD gebildet werden.
Dann wird eine i-Al0.3Ga0.7As-Schicht 23 auf der zweiten epitaktischen Schicht 22 gebildet Dann wird eine n-Al0.3Ga0.7As-Schicht 24 auf der i-Al0.3Ga0.7As-Schicht 23 gebildet. Dann wird eine n-GaAs-Schicht 25 auf der n-Al0.3Ga0.7As-Schicht 24 gebildet. Dann wird auf der Basis eines konventionellen HEMT-Herstellungsprozesses eine Elementseparation durchgeführt und Source- und Drainelektrodenmetall (Au GE/Ni) wird im Vakuum auf der n- GaAs-Schicht 25 abgeschieden, um dann ein Einlegieren vorzunehmen, um ohmsche Kontakte mit der zweiten epitaktischen Schicht 22 zu erhalten. Dann wird ein Photoresist auf der gesamten Oberfläche der Metallschicht aufgetragen und ein T-förmiges Gateelektrodenmuster wird dann durch den Photoresist geformt. Dann wird die n-GaAs-Schicht 25 und die n-Al0.3Ga0.7As-Schicht 24 geätzt, um eine Ausnehmung zu formen, wie dargestellt in Fig.2. Dann wird das Gateelektrodenmetall (Ti-Pt-Au oder Al) im Vakuum auf der n- Al0.3Ga0.7As-Schicht 24 in der Ausnehmung abgeschieden. Somit werden eine T-förmige Gateelektrode 26 mit einer Gatelänge Lg von 0,15 um, eine Sourceelektrode 27 und eine Drainelektrode 28 gebildet, um einen HEMT mit niedrigem Rauschen fertigzustellen. In diesem HEMT wird ein zweidimensionaler Elektronenkanal in der zweiten epitaxialen Schicht 22 etwa in einer Position gebildet, die ungefähr 10 nm von der Grenzfläche zwischen der zweiten epitaxialen Schicht 22 und der i-Al0.3Ga0.7As-Schicht 23 entfernt liegt.
Die soweit beschriebene Verbundhalbleitereinrichtung ist im Grunde aus der US-A- 5,028,968 bekannt. Gemäß der vorliegenden Erfmdung sind die grundlegenden Prinzipien des HEMT, wie er im Zusammenhang mit der Bildung des GaAs/AlGaAs-Heteroübergangs beschrieben ist, auf einen HEMT anzuwenden, bei welchem ein InGaAs/InAlAs- Heteroübergang gebildet wird und bei welchem die InGaAs-Schicht die ersten und zweiten epitaxialen Schichten aufweist, die in den beigefügten Ansprüchen gekennzeichnet sind. Obwohl jede Schicht durch MOCVD in der obigen bevorzugten Ausführungsform gebildet wird, kann sie durch MBE anstelle von MOCVD gebildet werden. Ferner kann eine Pufferschicht zwischen dem semiisolierenden Substrat und der ersten epitaktischen Schicht geformt werden.
In der Verbundhalbleitereinrichtung der vorliegenden Erfindung kann ein Kurzkanaleffekt aufgrund einer Reduktion in der Gatelänge unterdrückt werden und Cgs kann reduziert werden, so daß eine hohe Kennliniensteilheit gm erhalten werden kann, um eine außerordentlich gute Niedrigrausch-Charakteristik zu gewährleisten. Da ferner die Verbundhalbleitereinrichtung keine kritische Dicke aufweist wie der vorher erwähnte InGaAs-Verspannungsschichtkanal, können die zwei epitaktischen Schichten optimal eingestellt werden. Ferner tritt keine Erzeugung von Rauschen aufgrund der Heteroübergangs-Grenzfläche wie in dem herkömmlichen Fall auf, bei dem die i-AlGaAs-Schicht in der undotierten GaAs- Schicht als aktive Schicht angeordnet ist.
Während die Erfindung unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen beschrieben wurde, ist die Beschreibung illustrativ und darf nicht als den Schutzumfang der Erfindung beschränkend aufgefaßt werden. Vielfaltige Modifikationen und Veränderungen innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, können dem Fachmann ersichtlich werden.

Claims

1. InGaAs/InAlAs-Heteroübergang-Halbleitereinrichtung mit hoher Elektronenbeweglichkeit mit:

einem Substrat (10);

einer ersten epitaktischen Schicht (21) aus p-Typ-InGaAs, welche auf dem Substrat geformt ist, wobei die erste epitaktische Schicht eine Verunreinigungskonzentration von 1 x 10¹&sup5; ≤ p ≤ 1 x 10¹&sup6; (cm&supmin;³) aufweist;

einer zweiten epitaktischen Schicht (22) aus InGaAs, welche auf der ersten epitaktischen Schicht geformt ist, um den Durchtritt zweidimensionaler Elektronen zu erlauben, wobei die zweite epitaktische Schicht eine Verunreinigungskonzentration von n ≤ 1 x 10¹&sup4; (cm&supmin; ³) und p ≤ 1 x 10¹&sup4; (cm&supmin;³) aufweist;

einer undotierten Schicht (23) aus InAlAs, welche auf der zweiten epitaktischen Schicht geformt ist; und

einer n-Typ-Schicht (24) aus InAlAs, welche auf der undotierten Schicht aus InAlAs geformt ist.

2. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die zweite epitaktische Schicht (22) eine Dicke von 20 bis 100 nm aufweist.

3. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die erste epitaktische Schicht (21) eine Dicke von 500 bis 1000 nm aufweist.

4. Halbleitereinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher eine Pufferschicht zwischen dem Substrat (10) und der ersten epitaktischen Schicht (21) geformt ist.