JPH02226733A - Semiconductor device - Google Patents
Semiconductor deviceInfo
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- JPH02226733A JPH02226733A JP4745989A JP4745989A JPH02226733A JP H02226733 A JPH02226733 A JP H02226733A JP 4745989 A JP4745989 A JP 4745989A JP 4745989 A JP4745989 A JP 4745989A JP H02226733 A JPH02226733 A JP H02226733A
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の目的〕
(産業上の利用分野)
この発明は半導体装置に係り、特に2次元電子ガスを利
用した高電子移動度トランジスタ(llighElec
tron Mobility Transistor、
以下、 HEMTと略称する)に関する。[Detailed Description of the Invention] [Object of the Invention] (Industrial Application Field) This invention relates to a semiconductor device, and in particular to a high electron mobility transistor (llighElec) using two-dimensional electron gas.
tron Mobility Transistor,
(hereinafter abbreviated as HEMT).
(従来の技術)
HEHTは、バンド・ギャップの相異なる2種の半導体
をヘテロ接合し、そのへテロ界面に形成される2次元電
子ガスの電子濃度を制御電極に印加する電圧によって制
御することにより、キャリアとしての2次元電子ガス走
行量を制御する3端子能動半導体装置として知られてい
る。(Prior art) HEHT is a method of heterojunction of two types of semiconductors with different band gaps, and by controlling the electron concentration of a two-dimensional electron gas formed at the heterojunction interface by applying a voltage to a control electrode. , is known as a three-terminal active semiconductor device that controls the amount of two-dimensional electron gas traveling as a carrier.
従来の)IEMT素子の構造の一例を第4図に断面図で
示す、第4図に示されるように、HfEMT素子100
は、半絶縁性GaAs基板lot上に形成されたバッフ
ァ層であるアンドープGaAs層102と、 このアン
ドープGaAs層102に積層されヘテロ接合を形成す
る高不純物濃度のAlGaAs層!04を備え、ペテロ
接合界面の前記バッファ層(アンドープGaAs層10
2)側に電子走行層になる2次元電子ガス103が形成
されている。また、前記AlGaAs層104上に設け
られた制御電極であるゲート電極105Gと、これを挟
むように前記AlGaAs層104上に設けられたソー
ス電極i qssおよびドレイン電極1050を備えて
)IEMτ素子が構成されている。An example of the structure of a conventional) IEMT device is shown in a cross-sectional view in FIG. 4. As shown in FIG.
is an undoped GaAs layer 102 which is a buffer layer formed on a semi-insulating GaAs substrate lot, and an AlGaAs layer with a high impurity concentration which is stacked on this undoped GaAs layer 102 and forms a heterojunction! 04, and the buffer layer (undoped GaAs layer 10
A two-dimensional electron gas 103 serving as an electron transit layer is formed on the 2) side. Furthermore, an IEMτ element is constructed by comprising a gate electrode 105G which is a control electrode provided on the AlGaAs layer 104, and a source electrode iqss and a drain electrode 1050 provided on the AlGaAs layer 104 so as to sandwich the gate electrode 105G. has been done.
上に述べたHE(MTの特徴は、電子供給層104と電
子走行層103がへテロ接合によって分離され、キャリ
アとしての2次元電子ガスは不純物の少ないバッファ層
側を走行するので、不純物散乱が抑制されて高い電子移
動度μが得られる点にある。したがって、 HEMTは
、高周波での低雑音素子としての利用が期待されている
。このような高い電子移動度μを得るためには、バッフ
ァ層102の少なくとも上層部分は高品質な結晶になっ
ていることが必要である。しかし、バッファ層102の
厚さが0.4μ膳以下のときは、半絶縁性基板101や
界面の残留不純物の悪影響のために、バッファ層の結晶
品質が悪くなり電子移動度μが低下した。そこで、バッ
ファ層102の電子走行層103として必要な厚さに比
べて十分厚い、例えば0.5μ鳳程度の厚さに形成して
、バッファ層102の少なくとも上層部分が高品質な結
晶となるようにしている。The characteristics of the HE (MT) described above are that the electron supply layer 104 and the electron transport layer 103 are separated by a heterojunction, and the two-dimensional electron gas as a carrier travels on the buffer layer side with fewer impurities, so impurity scattering is reduced. Therefore, HEMT is expected to be used as a low-noise device at high frequencies.In order to obtain such a high electron mobility μ, it is necessary to At least the upper part of the layer 102 needs to be a high-quality crystal. However, when the thickness of the buffer layer 102 is less than 0.4 μm, residual impurities on the semi-insulating substrate 101 and the interface Due to the adverse effects, the crystal quality of the buffer layer deteriorated and the electron mobility μ decreased.Therefore, the buffer layer 102 is made sufficiently thicker than the required thickness for the electron transport layer 103, for example, a thickness of about 0.5μ. At least the upper layer portion of the buffer layer 102 is made of high-quality crystal.
(発明が解決しようとする課題)
HEMTの高周波特性をさらに向上させるためにはゲー
ト長の短縮が有効な手段であると考えられる。(Problems to be Solved by the Invention) In order to further improve the high frequency characteristics of HEMT, shortening the gate length is considered to be an effective means.
ゲート長を短縮することによりソース・ゲート間容量C
gsの低減と相互コンダクタンスg、の増大を生じ、遮
断周波数f7の増大を通じて雑音特性の向上に寄与する
ものと期待されるからである。しかし、ゲート長の短縮
に伴い、動作状態においてゲート電極におけるドレイン
側の端が高電界になるため、この部分ではキャリアとし
ての゛電子はもはや2次電子ガスとしてヘテロ接合界面
を流れるのでな(、GaAsバッファ層102のかなり
の部分にしみだして流れるため、)IEMTの静特性に
おけるg。By shortening the gate length, the source-gate capacitance C
This is because it is expected to reduce gs and increase mutual conductance g, and contribute to improving noise characteristics through increasing cutoff frequency f7. However, as the gate length is shortened, the electric field becomes high at the end of the gate electrode on the drain side in the operating state, so in this part the electrons as carriers no longer flow through the heterojunction interface as secondary electron gas. g in the static characteristics of the IEMT.
の下づまりが顕著になるという問題が生じる。具体的に
は、ゲート長が0.3μi以下のHEMTにおいて問題
となっており、例えば、ゲート長0.25μmのHEM
Tにおいては第5図に示すような静特性を示す。A problem arises in that the bottom jamming becomes noticeable. Specifically, this is a problem in HEMTs with gate lengths of 0.3 μm or less; for example, HEMs with gate lengths of 0.25 μm
At T, static characteristics as shown in FIG. 5 are exhibited.
かかるg、の下づまり、つまり、低ドレイン電流におけ
るg、の低減は、雑音特性を劣化させる。従って、ゲー
ト長の短縮による雑音特性向上の効果は必ずしも十分で
はなかった。たとえば、)IEMTのゲート長を0.4
μ鳳から0.25μ鳳に短縮しても、18GHzにおい
てNF(雑音指数)値はほとんど変わらず、平均値で1
.0dBであった。Such a decrease in g, that is, a reduction in g at low drain current degrades the noise characteristics. Therefore, the effect of improving noise characteristics by shortening the gate length was not necessarily sufficient. For example, set the IEMT gate length to 0.4
Even when shortening from μ-Feng to 0.25μ-Feng, the NF (Noise Figure) value hardly changes at 18 GHz, with an average value of 1
.. It was 0dB.
この発明は叙上の問題点に鑑みて、低雑音特性が大幅に
改善されるHUNTの構造を提供することを目的とする
。SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above problems, it is an object of the present invention to provide a HUNT structure with significantly improved low noise characteristics.
(課題を解決するための手段)
この発明にかかる半導体装置は、半絶縁性半導体基板上
に第1アンドープ半導体層、この第1アンドープ半導体
層上に超格子層、この超格子層上に第2アンドープ半導
体層、この第2アンドープ半導体層上にこれよりも禁止
帯幅が大きい高不純物濃度の電子供給層が順次積層され
、かつ、前記電子供給層上に、ゲート、ソース、ドレイ
ンの各電極が設けられ、2つのアンドープ層のうち半絶
縁性半導体基板に接する第1アンドープ層を十分に厚く
形成し、超格子層を電子に対する急峻なポテンシャル・
バリアとして形成し、さらに、電子供給層とへテロ接合
を形成する第2アンドープ層を十分に薄く形成したこと
を特徴としている。特に第2アンドープ層の厚さは20
00Å以下となした。また、特に第1アンドープ層の厚
さは、これと超格子層の厚さと第2アンドープ層の厚さ
の和が0.5μm以上となる厚さとなした。(Means for Solving the Problem) A semiconductor device according to the present invention includes a first undoped semiconductor layer on a semi-insulating semiconductor substrate, a superlattice layer on the first undoped semiconductor layer, and a second undoped semiconductor layer on the superlattice layer. An undoped semiconductor layer, a highly impurity-concentrated electron supply layer having a wider forbidden band width is sequentially laminated on the second undoped semiconductor layer, and gate, source, and drain electrodes are formed on the electron supply layer. Of the two undoped layers provided, the first undoped layer in contact with the semi-insulating semiconductor substrate is formed sufficiently thick, and the superlattice layer has a steep potential for electrons.
The second undoped layer is formed as a barrier and further forms a heterojunction with the electron supply layer, which is formed sufficiently thin. In particular, the thickness of the second undoped layer is 20
00 Å or less. In particular, the thickness of the first undoped layer was such that the sum of this, the thickness of the superlattice layer, and the thickness of the second undoped layer was 0.5 μm or more.
(作 用)
この発明にかかるHEMTは、上記手段を用い、第1ア
ンドープ層と第2アンドープ層の間に超格子層が存在す
ることが基本である。この発明の特徴は超格子層を電子
に対する急峻なポテンシャル・バリアとして利用するた
めに、第2アンドープ層を十分薄く形成して電子のしみ
出しを効果的に防いだことにある。(Function) The HEMT according to the present invention uses the above-mentioned means and basically includes a superlattice layer between the first undoped layer and the second undoped layer. The feature of this invention is that the second undoped layer is formed sufficiently thin to effectively prevent electron seepage in order to utilize the superlattice layer as a steep potential barrier against electrons.
(実施例) 以下、この発明の一実施例を図面を参照して説明する。(Example) An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
なお、説明において従来例と変わらない部分については
、図面に従来例と同じ符号をつけて示し、説明を省略す
る。In addition, in the description, parts that are the same as in the conventional example are shown in the drawings with the same reference numerals as in the conventional example, and the description thereof will be omitted.
本発明の一実施例のHEMT素子についてその構造を第
1図に断面図で示す。The structure of a HEMT element according to an embodiment of the present invention is shown in cross-sectional view in FIG.
第1図に示すように、H1l!MT素子刊は、素子縁性
GaAs基板101上に形成された第1アンドープGa
As層11と、この第1アンドープGaAs層11上に
順次積層させて超格子層12.第2アンドープGaAs
層13゜および電子供給層のAlGaAs層104が形
成されている。そして、前記第1アンドープGaAs層
11は一例として層厚0.35μ■で充分高抵抗に形成
され、前記超格子層12は例えば厚さ50人のAlGa
As層と厚さ50人のGaAs層を交互に、夫々10層
ずつ積層形成されている。また、前記第2アンドープG
aAs層13は充分高抵抗で電子走行層となる一例とし
て500人の薄層である。さらに、前記AlGaAs層
104は1例えば分子線エピタキシー(MBE)装置を
用い、Siを2 X 10”cm−” ドープし連続
して層厚300人に成長させて形成される。そして、前
記第2アンドープGaAs層13がこのAlGaAs層
104と接する側が2次元電子ガス103となる。As shown in FIG. 1, H1l! MT Element Publishing describes the first undoped Ga formed on the element edge GaAs substrate 101.
An As layer 11 and a superlattice layer 12 . Second undoped GaAs
A layer 13° and an AlGaAs layer 104 as an electron supply layer are formed. The first undoped GaAs layer 11 has a thickness of 0.35 .mu.m and has a sufficiently high resistance, and the superlattice layer 12 has a thickness of 50 μm, for example.
Ten As layers and 50 GaAs layers each having a thickness of 10 layers are stacked alternately. Further, the second undoped G
The aAs layer 13 is, for example, a 500-layer thin layer with sufficiently high resistance to serve as an electron transit layer. Furthermore, the AlGaAs layer 104 is formed by doping Si to 2.times.10"cm" and continuously growing the layer to a thickness of 300 cm using, for example, a molecular beam epitaxy (MBE) apparatus. The side where the second undoped GaAs layer 13 is in contact with this AlGaAs layer 104 becomes a two-dimensional electron gas 103.
次に、前記AlGaAs層104上にAlで形成された
制御電極のゲート電極105Gと、これを挟むように前
記AlGaAs層104上にNi/AuGeで形成され
たソース電極1055およびドレイン電極105Dを備
えて、HE−丁素子が構成されている。Next, a control electrode gate electrode 105G formed of Al on the AlGaAs layer 104, and a source electrode 1055 and a drain electrode 105D formed of Ni/AuGe on the AlGaAs layer 104 sandwiching this gate electrode 105G are provided. , HE-D elements are constructed.
前記第2アンドープGaAsJlll13は、その層厚
が重要であることが以下の実験により明らかになった。The following experiment revealed that the layer thickness of the second undoped GaAsJllll13 is important.
実験は、ゲート長0.25μ−の)IEMTにおいて、
第1アンドープ層、超格子層、及び第2アンドープ層の
全体の厚さを5000人とし、このうちの第1アンドー
プ層と第27ンドープ層の厚さを変化させて、+1EM
Tの特性に与える影響を調べた。この時の真性相互コン
ダクタンスg、、の特性変化の様子を第3図に示す、第
3図により、少なくとも第2アンドープ層の厚さを0.
2μ騰以下に形成することにより、高真性相互コンダク
タンスg、。を維持できることがわかる。この高gso
は、超格子が電子のしみ出しを防止するバリアとして効
果的に働くために生じていると推定、している。The experiment was conducted using an IEMT (with a gate length of 0.25μ).
The total thickness of the first undoped layer, the superlattice layer, and the second undoped layer is 5,000 layers, and the thickness of the first undoped layer and the 27th undoped layer is changed to +1EM.
The effect on the characteristics of T was investigated. Figure 3 shows how the characteristics of the intrinsic transconductance g, , change at this time.
High intrinsic transconductance g, by forming 2μ or less. It can be seen that it is possible to maintain This high gso
speculated that this occurs because the superlattice effectively acts as a barrier to prevent electrons from seeping out.
例えば、層厚0.35μ朧の第1アンドープGaAs層
11と、層厚500人の第2アンドープGaAs層13
を設け、これらの両層の間に層厚1000人の超格子層
12を挿入することによって、高gwaoを維持できる
。For example, a first undoped GaAs layer 11 with a layer thickness of 0.35 μm and a second undoped GaAs layer 13 with a layer thickness of 500 μm.
A high gwao can be maintained by inserting a superlattice layer 12 with a thickness of 1000 between these two layers.
また、g、の下づまりについても顕著な効果が得られた
。例えば、ゲート長0.25μ脂に形成されたHEMT
の静特性を第2図に、従来構造のHEMTの静特性を第
5図に示す、 V□=3V、 IO8=5mAでのgl
は従来構造で、16m5に対し、本発明では、35@S
となり、g、の下づまりの改善の効果を顕著に認めるこ
とができた。In addition, a remarkable effect was obtained regarding the lower clogging of g. For example, a HEMT formed with a gate length of 0.25μ
Figure 2 shows the static characteristics of HEMT, and Figure 5 shows the static characteristics of HEMT with conventional structure.
is 16m5 in the conventional structure, whereas in the present invention, it is 35@S
As a result, the effect of improving g.
さらに、)IEMTの特徴である高周波における低雑音
特性についてみると、18GHzにおいて、 IDS=
10mAのNF(雑音指数)値は従来例の1.0dBに
対して、本発明により0.8dBを実現でき顕著な効果
が認められた。Furthermore, looking at the low noise characteristics at high frequencies, which is a feature of ) IEMT, at 18 GHz, IDS=
The NF (noise figure) value of 10 mA was 0.8 dB compared to 1.0 dB in the conventional example, and a remarkable effect was recognized.
次に、上記実施例はAlGaAs/GaAsよりなる超
格子について述べたが、他の材料による、例えばAlA
s/GaAsよりなる超格子などにおいても有効である
ことはいうまでもない、また、リセス構造の)IEMT
においても有効であり、 AlGaAsの電子供給層と
アンドープGaAs層との間にアンドープのAlGaA
sからなるスペーサ層を設けた構造としても有効である
。Next, although the above embodiment describes a superlattice made of AlGaAs/GaAs, other materials such as AlA
It goes without saying that it is also effective in superlattices made of s/GaAs, and also in recessed structure) IEMT.
It is also effective in forming undoped AlGaAs between the AlGaAs electron supply layer and the undoped GaAs layer.
It is also effective to have a structure in which a spacer layer made of S is provided.
(発明の効果)
この発明によれば、従来のバッファ層のかわりに、2つ
のアンドープ層とその中間に挿入された超格子層を設け
、半絶縁性半導体基板に接する第1アンドープ層を十分
に厚く形成し、さらに、電子供給層とへテロ接合を形成
する第2アンドープ層を十分薄く形成することにより、
結晶の高品質性を保ちつつ電子のしみ出しを防止し、g
、の下づまりを改善し、高g、を維持で、きる。この結
果、HEMTに対し大幅に低雑音特性を改善することが
できる。(Effects of the Invention) According to the present invention, two undoped layers and a superlattice layer inserted between them are provided in place of the conventional buffer layer, and the first undoped layer in contact with the semi-insulating semiconductor substrate is sufficiently By forming the second undoped layer thickly and forming a sufficiently thin second undoped layer that forms a heterojunction with the electron supply layer,
Prevents electron leakage while maintaining high crystal quality, and
It is possible to improve the bottom jam and maintain high g. As a result, the low noise characteristics can be significantly improved compared to HEMT.
第1図はこの発明の一実施例にかかる)IEMTの構造
を示す断面図、第2図はこの発明の一実施例にかかるH
EMTの静特性を示す線図、第3図は第1図に示される
第2アンドープ層の厚さと真性相互コンダクタンスga
sの関係図を示す線図、第4図は従来例のHEMTの構
造を示す断面図、第5図は従来例のIIIEMTの静特
性を示す線図である。
10−−−−− HEMT素子
第17ンドープGaAs層
超格子層
第27ンドープGaAs層FIG. 1 is a sectional view showing the structure of an IEMT according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view showing the structure of an IEMT according to an embodiment of the present invention.
A diagram showing the static characteristics of EMT, Figure 3 shows the thickness of the second undoped layer and the intrinsic transconductance ga shown in Figure 1.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing the structure of a conventional HEMT, and FIG. 5 is a diagram showing the static characteristics of a conventional IIIEMT. 10------ HEMT element 17th n-doped GaAs layer superlattice layer 27th n-doped GaAs layer
Claims (2)
充分厚い第1アンドープ半導体層、超格子層、この超格
子層上に2次元電子ガスが形成される充分薄い第2アン
ドープ半導体層、この第2アンドープ半導体層よりも禁
止帯幅が大きい高不純物濃度の電子供給層、およびこの
電子供給層上に形成されたゲート、ソース、ドレインの
各電極を具備した半導体装置。(1) A sufficiently thick first undoped semiconductor layer and a superlattice layer formed by sequentially stacking layers on a semi-insulating semiconductor substrate, and a sufficiently thin second undoped semiconductor layer on which a two-dimensional electron gas is formed on the superlattice layer. , a highly impurity-concentrated electron supply layer having a wider forbidden band width than the second undoped semiconductor layer, and a gate, source, and drain electrode formed on the electron supply layer.
あ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。(2) The semiconductor device according to claim 1, wherein the second undoped semiconductor layer has a thickness of 2000 Å or less.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4745989A JPH02226733A (en) | 1989-02-28 | 1989-02-28 | Semiconductor device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4745989A JPH02226733A (en) | 1989-02-28 | 1989-02-28 | Semiconductor device |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02226733A true JPH02226733A (en) | 1990-09-10 |
Family
ID=12775745
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4745989A Pending JPH02226733A (en) | 1989-02-28 | 1989-02-28 | Semiconductor device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH02226733A (en) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6464367A (en) * | 1987-09-04 | 1989-03-10 | Nec Corp | Semiconductor device |
-
1989
- 1989-02-28 JP JP4745989A patent/JPH02226733A/en active Pending
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6464367A (en) * | 1987-09-04 | 1989-03-10 | Nec Corp | Semiconductor device |
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