JP2553760B2 - 高電子移動度トランジスタ - Google Patents

高電子移動度トランジスタ

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JP2553760B2 JP2311061A JP31106190A JP2553760B2 JP 2553760 B2 JP2553760 B2 JP 2553760B2 JP 2311061 A JP2311061 A JP 2311061A JP 31106190 A JP31106190 A JP 31106190A JP 2553760 B2 JP2553760 B2 JP 2553760B2
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10D30/00—Field-effect transistors [FET]
    • H10D30/40—FETs having zero-dimensional [0D], one-dimensional [1D] or two-dimensional [2D] charge carrier gas channels
    • H10D30/47—FETs having zero-dimensional [0D], one-dimensional [1D] or two-dimensional [2D] charge carrier gas channels having two-dimensional [2D] charge carrier gas channels, e.g. nanoribbon FETs or high electron mobility transistors [HEMT]
    • H10D30/471—High electron mobility transistors [HEMT] or high hole mobility transistors [HHMT]
    • H10D30/473—High electron mobility transistors [HEMT] or high hole mobility transistors [HHMT] having confinement of carriers by multiple heterojunctions, e.g. quantum well HEMT
    • H10D30/4732—High electron mobility transistors [HEMT] or high hole mobility transistors [HHMT] having confinement of carriers by multiple heterojunctions, e.g. quantum well HEMT using Group III-V semiconductor material

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はマイクロ波帯域の信号周波数に主として使用
される高速の電界効果トランジスタ(FET)に関し、中
でも特に高電子移動度トランジスタ(HEMT)に関するも
のである。
〔従来の技術〕
マイクロ波帯の信号域に使用されるFETの半導体材料
には、高周波特性に優れたものが要求される。この種の
材料として、電子輸送特性に優れたInGaAs系の半導体材
料が有る。この中でもInPに格子整合するIn0.52Al0.484
AsおよびIn0.53Ga0.47Asを電子供給層およびチャネル層
に用いた高電子移動度トランジスタ(HEMT,MODFET)
は、優れた高周波特性を有している。このHEMTの詳細
は、例えば、下記の文献“IEEE ELECTRON DEVICE LETTE
RS,VOL.11,NO.1,JANUARY 1990"の59〜62ページに記載さ
れている。また、この他に、AlGaAsおよびGaAs半導体材
料を電子供給層およびチャネル層に用いたAlGaAs/GaAs
−HEMTが実用化されている。
電子供給層を構成する半導体材料は、チャネル層を構
成する半導体材料よりエネルギギャップが大きく、電子
親和力が小さくなるものに選択される。つまり、上記の
ように、チャネル層がGaAsによって形成される場合には
電子供給層の材料にAlGaAsが選択され、チャネル層がIn
GaAsによって形成される場合には電子供給層の材料にAl
InAsが選択される。HEMTのエピタキシャル構造をこのよ
うな材料で形成することにより、チャネル層に2次元電
子ガスが生成される。
〔発明が解決しようとする課題〕
一般的にFETのゲート長は1μm以下の極めて短い長
さであるため、その間を走る電子は大きなエネルギを持
っている。このため、ゲート電極に大きな電圧が印加さ
れると、電子は2次元チャネル内にとどまらず、チャネ
ル層と電子供給層との接合面に存在するエネルギ障壁を
飛び越えて電子供給層側へ遷移してしまうことがある。
この現象は第5図に示されるエネルギバンド図において
次のように説明することが出来る。
同図(a)はAlGaAs/GaAs−HEMTのヘテロ接合面にお
けるエネルギバンド図を示しており、接合界面付近のGa
As半導体中には斜線で図示される2次元電子ガスが形成
されている。ここで、ゲート電極に大きな電圧が印加さ
れて電子に高電界がかかると、GaAs半導体中に存在する
電子e-はヘテロ接合界面に存在するエネルギ障壁を飛び
越え、AlGaAs半導体側に遷移してしまう。この現象は、
同図(b)に示されるAlInAs/InGaAs−HEMTにおいても
同様に生じる。つまり、InGaAs半導体中に形成された2
次元電子ガスに高電界が印加され、電子e-に大きなエネ
ルギが与えられると、電子e-はヘテロ接合界面のエネル
ギ障壁を飛び越えてAlInAs半導体側へ遷移してしまう。
電子供給層を形成するAlGaAsやAlInAs半導体材料は、
チャネル層を形成するGaAsやInGaAs半導体材料よりも電
子移動度が小さく、また、電子飽和速度が遅い。このた
め、上記のように一部の電子がチャネル層側から電子供
給層側へ移動すると、電流チャネル全体としての電子移
動度は小さくなり、また、電子飽和速度は遅くなる。こ
の結果、FETの高周波特性は劣化してしまう。この特性
劣化は素子の伝達性能を示す指数である伝達コンダクタ
ンスgmにも現れる。つまり、伝達コンダクタンスgmのゲ
ート電圧変化に対する特性において、ゲート電圧が正側
に増加していくと伝達コンダクタンスgmは大きく減少し
ていく。
このような問題点は、下記の文献“IEEE TRANSACTION
S ON ELECTRON DEVICES,VOL.ED−31,NO.1,JANUARY 198
4"の29ページにおいても指摘されており、高速FETの1
つの技術的課題として注目されている。
〔課題を解決するための手段〕
本発明は、このような課題を解決するためになされた
もので、2次元電子ガスが形成されるチャネル層と、こ
のチャネル層へ電子を供給するn型導電性の電子供給層
とを備えて構成される高電子移動度トランジスタにおい
て、電子供給層のドナーイオンから2次元電子ガスを空
間的に分離し、かつ、このドナーイオンによるクーロン
力によってチャネル層に2次元電子ガスが形成される厚
さを有し、電子供給層を構成する材料より電子飽和速度
が高い半導体材料からなるスペーサ層を、チャネル層と
電子供給層との間に形成したことを特徴とするものであ
る。
〔作用〕
高電界が2次元電子ガスにかかり、電子の有するエネ
ルギが大きくなって電子がチャネル層から飛び出して
も、電子はチャネル層に隣接する電子飽和速度が高い所
定厚さのスペーサ層に遷移する。
〔実施例〕
第1図は本発明の一実施例によるHEMTの構造を表す断
面図である。このHEMTの製造方法について第2図の製造
工程断面図を参照して以下に説明する。
まず、半絶縁性(S.I.)のInP半導体基板1上に、バ
ッファ層2,チャネル層3,スペーサ層4,電子供給層5およ
びコンタクト層6を順に連続的にエピタキシャル成長す
る(第2図(a)参照)。このエピタキシャル成長は、
分子線エピタキシャル(MBE)または有機金属気相エピ
タキシ(OMVPE)法によって行われる。バッファ層2は
アンドープのAlInAsを材料として1μmの厚さ、チャネ
ル層3はアンドープのInGaAsを材料として150Åの厚
さ、スペーサ層4はアンドープのInPを材料として30Å
の厚さに形成される。電子供給層5はn型のAlInAsを材
料として400Åの厚さ、コンタクト層6はn型のInGaAs
を材料として100Åの厚さに形成される。この電子供給
層5のドナー不純物濃度は2×1018個/cm3,コンタクト
層6のドナー不純物濃度は5×1018個/cm3に形成され
る。
また、この時、バッファ層2および電子供給層5を形
成するAlInAs材料、ならびにチャネル層3およびコンタ
クト層6を形成するInGaAs材料は、各層がInP半導体基
板1に格子整合するように、それぞれAl0.48In0.52Asな
らびにIn0.53Ga0.47Asとなる組成比に設定される。
また、スペーサ層4の厚さ30Åは、電子供給層5から
供給された電子がチャネル層3に十分溜まる厚さになっ
ている。つまり、電子供給層5に存在するドナーイオン
のクーロン力が、チャネル層3に存在する2次元電子ガ
スに十分及ぶ厚さになっている。しかも、スペーサ層4
の厚さは、電子供給層5のドナーイオンとチャネル層3
の2次元電子ガスとの間に十分な空間的距離を確保する
ことの出来る厚さになっている。また、スペーサ層4を
形成するInP材料は、電子供給層5を形成するAlInAsよ
りも電子飽和速度が高く、高周波特性が良好である。ま
た、チャネル層3を形成するInGaAs材料に比較して電子
移動度が低いものの電子飽和速度が速い。
次に、トランジスタ形成領域間に存在する各半導体層
をメサエッチングによって選択に除去し、素子間の電気
的分離を行う(同図(b)参照)。次に、通常のフォト
リソグラフィ技術を用いてコンタクト層6上にソースお
よびドレインの電極パターンをパターニングする。そし
て、パターン上にAuGe/Ni金属を蒸着し、このパターン
をリフトオフする。リフトオフ後に残った電極金属につ
いて、400℃で1分間の合金化処理を行い、コンタクト
層6とのオーミック接触をとってソース電極7およびド
レイン電極8を形成する(同図(c)参照)。
次に、電子線リソグラフィ技術等によってゲート電極
のパターニングを行い、このパターンをマスクにしてゲ
ート電極形成領域部分にリセスを形成する(同図(d)
参照)。所定のドレイン電流が得られるようにこのリセ
ス深さを調整した後、Ti/Pt/Au金属を蒸着する。蒸着
後、電極パターンをリフトオフしてゲート電極9を形成
することにより、第1図に示される構造のHEMTを得るこ
とが出来る。なお、第1図において第2図と同一部分に
ついては同符号を用いてある。
このようなエピタキシャル構造におけるHEMTのエネル
ギバンドは第3図に示される。同図におけるエネルギバ
ンドは、図の左側から電子供給層(n−AlInAs)5,スペ
ーサ層(InP)4,チャネル層(アンドープInGaAs)3お
よびバッファ層(アンドープAlInAs)2に相当してい
る。スペーサ層4とチャネル層3との接合部近傍のチャ
ネル層3にはエネルギギャプが形成されており、このエ
ネルギギャップには斜線で図示される2次元電子ガスが
形成されている。スペーサ層4にはこの2次元電子ガス
の蓄積をせきとめるエネルギバンドが存在しており、電
子供給層5とスペーサ層4との間にはこのエネルギバン
ドよりもさらに高いエネルギ障壁が形成されている。
ここで、ゲート電極9に高い電圧が印加されて2次元
電子ガスに高電界がかかると、チャネル中の電子は大き
なエネルギを有するようになる。この結果、2次元電子
ガス中の電子の中にはチャネル層3に形成されたエネル
ギギャップを飛び出すものが生じる。飛び出した電子は
電子供給層5内のドナーイオンのクーロン力によって電
子供給層5側に引き寄せられるが、電子供給層5とスペ
ーサ層4との間のエネルギ障壁によってスペーサ層4に
とどめられる。
スペーサ層4を形成するInPは前述したように電子供
給層5を形成するAlInAsより高周波特性が良好であり、
電子飽和速度が速い。また、前述したようにこのInPは
チャネル層3を形成するInGaAsより電子移動度は低い
が、電子飽和速度は速い。このため、2次元電子ガスに
高電界がかかってチャネル層3から電子が飛び出して
も、飛び出した電子は電子飽和速度の速いスペーサ層4
中を走行することになる。従って、従来のように2次元
電子ガスに高電界がかかっても素子の高周波特性が劣化
することはない。
このようなHEMTのゲート電圧変化に対する伝達コンダ
クタンスgm特性は第4図に示される。同図の横軸はゲー
ト電圧Vg,縦軸は伝達コンダクタンスgmを表しており、
また、実線で示される特性曲線11は本実施例によるHEMT
の特性,点線で示される特性曲線12は従来構造のHEMTの
特性を表している。同図から理解されるように本実施例
による特性曲線11においては、ゲート電圧Vgが正側に増
加していっても伝達コンダクタンスgmの減少は抑制され
ている。これに対して従来の特性曲線12においては、ゲ
ート電圧Vgの増加に伴う伝達コンダクタンスgmの減少が
激しい。このように本実施例によるHEMTによれば、広い
ゲート電圧変化範囲にわたって高い伝達コンダクタンス
gmを得ることが可能になる。
〔発明の効果〕
以上説明したように本発明によれば、高電界が2次元
電子ガスにかかり、電子の有するエネルギが大きくなっ
て電子がチャネル層から飛び出しても、電子はチャネル
層に隣接する電子飽和速度が高い所定厚さのスペーサ層
に遷移する。このため、FETのチャネルに高電界がかか
っても電子の輸送特性は劣化することがなく、素子の高
周波特性は確保される。
本発明は、マイクロ波帯またはミリ波帯の電子デバイ
スで、ゲート長が0.25μm以下の基本トランジスタ構造
に利用すると特に効果的である。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例によるHEMTの構造を示す断面
図、第2図は第1図に示されたHEMTを製造する時の各工
程における断面図、第3図は第1図に示されたHEMTのエ
ネルギバンド図、第4図は第1図に示されたHEMTのゲー
ト電圧Vg変化に対する伝達コンダクタンスgmの特性を示
すグラフ、第5図は従来のHEMTにおける課題を説明する
ためのエネルギバンド図である。 1……半絶縁性半導体基板(InP)、2……バッファ層
(アンドープAlInAs)、3……チャネル層(アンドープ
InGaAs)、4……スペーサ層(アンドープInP)、5…
…電子供給層(n−AlInAs)、6……コンタクト層(n
−InGaAs)、7……ソース電極、8……ドレイン電極、
9……ゲート電極。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】2次元電子ガスが形成されるチャネル層
    と、このチャネル層へ電子を供給するn型導電性の電子
    供給層とを備えて構成される高電子移動度トランジスタ
    において、 前記電子供給層のドナーイオンから前記2次元電子ガス
    を空間的に分離し、かつ、このドナーイオンによるクー
    ロン力によって前記チャネル層に前記2次元電子ガスが
    形成される厚さを有し、前記電子供給層を構成する材料
    より電子飽和速度が高い半導体材料からなるスペーサ層
    を、前記チャネル層と前記電子供給層との間に形成した
    ことを特徴とする高電子移動度トランジスタ。
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