JPH023540B2 - - Google Patents

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JPH023540B2
JPH023540B2 JP55143357A JP14335780A JPH023540B2 JP H023540 B2 JPH023540 B2 JP H023540B2 JP 55143357 A JP55143357 A JP 55143357A JP 14335780 A JP14335780 A JP 14335780A JP H023540 B2 JPH023540 B2 JP H023540B2
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JP
Japan
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semiconductor
gate
layer
semiconductor layer
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Prior art date
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JP55143357A
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English (en)
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JPS5768073A (en
Inventor
Keiichi Oohata
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NEC Corp
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Nippon Electric Co Ltd
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Publication date
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Publication of JPS5768073A publication Critical patent/JPS5768073A/ja
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Granted legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D30/00—Field-effect transistors [FET]
    • H10D30/80—FETs having rectifying junction gate electrodes

Landscapes

  • Junction Field-Effect Transistors (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、マイクロ波領域で動作する高速高性
能な電界効果トランジスタに関する。
GaAsを用いた電界効果トランジスタ
(GaAsFET)は、しや断周波数が大きく、マイ
クロ波帝で優れた低雑音、高利得な性能を有し、
広範囲に使用されている。一方近年GaAsFETの
高速性に着目し、論理集積回路化の試みがなされ
るようになつた。かかる集積回路は、回路構成の
簡素化および低消費電力化のため、ノーマリオフ
型のFET(ゲート電圧零でドレイン電流が流れな
い。)で構成することが不可欠である。また高密
度集積化のためには、多層配線も必要である。従
来のマイクロ波GaAsFETは、ノーマリオン型で
あり、n型能動層をチヤンネル層として用い、シ
ヨツトキゲートの空乏層によつてチヤンネルの厚
さを変化させて動作させる。通常のノーマリオフ
集積回路では、この従来技術を用いるが、能動層
の厚さをより薄くして、ゲート電圧零でゲート空
乏層が基板まで伸びチヤンネルを閉じるようにし
てノーマリオフFETを形成する。ここで多層配
線および微細パターン化を考慮して、通常均一な
厚さの能動層上にソース、ゲート等の電極を形成
したプレーナ構造が採られる。しかしながら、か
かるノーマリオフ型FETでは、能動層が極めて
薄くなるうえに、ソース−ゲート間のGaAs表面
が空乏化しているために、ソース抵抗が非常に大
きくなる欠点があつた。ソース抵抗を低減化する
有効な方法は、第1図に示すように、チヤンネル
層12のソース領域の厚さをゲート領域より厚く
した、いわゆるリセス構造を採ることであり、単
体素子に用いられて大きな効果をあげている。こ
こで11は高抵抗基板、13はゲートシヨツトキ
電極、14,15はソース・ドレイン電極であ
る。しかしながら、この構造では素子表面の段差
が大きいため集積化には適していない。また表面
に薄いn+層を形成してリセス領域の深さを浅く
した場合でも、n+領域がゲートに近接している
ためにゲート耐圧が低下する欠点がある。一方素
子表面の平坦性を改善すべく、第2図のようにゲ
ート13がチヤンネル層12中に埋込まれている
様な構造にした場合には、ソース抵抗は小さくな
るものの、ゲートの側面部の寄生容量が著しく増
大するため、この構造を用いることは不可能であ
る。
本発明は、以上述べた様に従来の構造では適用
が困難な、集積回路特にノーマリオフ型の集積回
路に適した、平坦化された構造を可能にし、かつ
ソース抵抗の小さい電界効果トランジスタを提供
するものである。
本発明のFETは、基本的には第3図に示す構
造のもので、高抵抗基板上にチヤンネル層となる
第1の半導体層22上にゲートおよびソース・ド
レイン電極が形成され、ゲート領域外の第1の半
導体層22上に、第1の半導体より電子親和力
(真空中の自由電子のエネルギー準位と電導帯の
電子のエネルギー準位の差)の小さい第2の半導
体層23が形成されているものである。
以下図面によつて本発明を説明し、あわせてそ
の効果について述べる。本発明のFETのゲート
−ソース間の一断面(第3図中A−A′線で示
す。)およびゲート部の一断面(同図中B−B′線
で示す。)に沿つたエネルギー帯図は、それぞれ
第4図aおよびbのようになる。ただしこれはn
チヤンネルのシヨツトキゲートFETの場合であ
る。ゲート部のエネルギー帯図(第4図b)は、
通常のFETと同様であり、ゲート空乏層の厚さ
を変化させてトランジスタ動作を行わせる。一方
ソース−ゲート間のエネルギー帯図(第4図a)
では、第1の半導体と第2の半導体の電子親和力
の差によつて、界面において第2の半導体が空乏
化し、反対に第1の半導体の電子密度が増加、蓄
積状態となる。したがつて、ソース−ゲート間で
は第1の半導体層のシート抵抗が小さくなり、ソ
ース抵抗が減少する。第1の半導体と第2の半導
体の電子親和力の差を△Ecとすれば、界面にお
いて第1の半導体側に電子の蓄積が起こるために
は、第1の半導体の有効ドナー密度をND1、第2
の半導体の有効ドナー密度をND2とすると、次の
関係がある。
ND2>ND1 exp〔−△Ec/kT〕 ここでkはボルツマン定数、Tは絶対温度であ
る。ND2を大きくするほど、また同じND2でも△
Ecが大きいほど第1の半導体層側の電子の蓄積
量が多くなる。ここで第2の半導体層23の厚さ
を制御して、層全体が空乏化する様に設計すれ
ば、電子の存在する領域は第1の半導体層22内
に限られ、高ドナー密度であつても第2の半導体
層23は絶縁物と等価となり、ゲート耐圧低下等
の信頼性の低下は防止できる。また高ドナー密度
の半導体を用いれば、第2の半導体層の必要な厚
さは薄くなるためプレーナ型FETに近い構造が
可能である。
さらに△Ecの大きい場合、ND2がND1よりはる
かに小さいときでも、第1の半導体側に電子の蓄
積が起こるから、第5図に示す構造も可能であ
る。ここで第2の半導体層23は第1の半導体層
22を完全に覆い、ゲート24の側面まで延在す
る。第2図に示したFETの場合とは異なり、本
FETではND2≪ND1であるのでゲート側面の第2
の半導体層と接触している部分の寄生容量は小さ
く実用的に問題はない。(ただし、この場合ゲー
ト24は第2の半導体層23に対してもシヨツト
キ性を有する必要がある。)特に第2の半導体層
23がすべて空乏化していればさらに寄生容量は
小さくなる。なおこの場合は特にND2≪ND1でな
くてもよい。しかも本構造では、チヤンネル層で
ある第1の半導体層は全く露出しないため、信頼
性も向上する。第6図はさらに本発明を発展させ
第2の半導体層の有効ドナー密度ND2と厚さを最
適化し、素子表面を完全に平坦にしたものであ
り、集積回路に最適な構造を提供するものであ
る。
さらに第7図は本発明を反転チヤンネル型の
MISFET(Metal−Insulator−Semicondutor
FET、絶縁ゲート電界効果トランジスタ)に適
用したものである。ここで、31は高抵抗基板、
32はp-の第1の半導体層、33はn型の第2
の半導体層、34はゲート金属電極35、36は
nチヤンネルにオーム性であるソース・ドレイン
電極、37はゲート絶縁膜である。ここで第2の
半導体層33は、p-の第1の半導体層32の界
面を反転させ、十分な電子の蓄積のある低抵抗の
nチヤンネル38を形成する様に選ばれる。これ
は△Ecを大きくし有効ドナー密度ND2を大きくす
れば可能である。トランジスタ動作はガード金属
電極34に正の電圧を印加し、絶縁膜37その界
面のp-層32表面に電子を誘起して行わせる。
ここで前記の様に第2の半導体層33をすべて空
乏化すれば、ゲート金属のオーバーラツプによる
寄生容量を小さく抑えることができる。また本発
明によれば、ゲート領域は、n+領域を形成する
ことなく、第2の半導体層33を全面に成長後ゲ
ート領域の第2の半導体層をエツチング除去する
ことによつて形成できる。したがつて選択性エツ
チング等によつてプロセスの簡素化、ゲートの微
細化が可能である。
次に本発明の具体的な実施例を説明する。基板
21として半絶縁性GaAs基板上に例えばキヤリ
ア密度1×1013cm-3の高純度n型バツフア層を成
長させたものを用いる。その上に第1の半導体層
として有効ドナー密度1×1017cm-3のn型層を成
長させ、さらに第2の半導体層として、GaAsよ
り電子親和力が約0.4eV小さいn型Ga0.7Al0.3As
層を、例えば液相成長法で成長させる。次にゲー
トおよびソース・ドレイン領域のGaAlAs層を除
去し、例えばAlのシヨツトキゲート、Au−Geの
ソース・ドレインオーム性電極を形成すれば本発
明のFETが製作される。ノーマリオフ型のFET
では、チヤンネル層の厚さは約0.1μmとなり、電
子の層密度は1×1012cm-2である。しかしながら
通常のプレーナ型では、GaAs表面の空乏化のた
め、ソース−ゲート間の能動層の電子の層密度は
約2×1011cm-2と大きく低下する。一方本発明の
FETにおいて、n型GaAlAsの有効ドナー密度を
1011cm-3より大きくすれば、界面のGaAs側に電
子の蓄積層が形成され、GaAs能動層の電子の層
密度Nscは1×1012cm-2以上となる。例えば
GaAlAs層の有効ドナー密度を通常の結晶成長で
容易に得られる5×1017cm-3とすると、Nscは2.5
×1012cm-2となり、ソース抵抗を従来の1/10以下
に大きく低減化できる。この時、空乏化するすな
わち有効なGaAlAs層の厚さは約400Åであり、
半導体表面段差の小さいFETを形成できる。
一方、n型GaAlAsの有効ドナー密度を3×
1015cm-3、厚さを0.5μmに選べば、GaAlAs層は
完全に空乏化し、かつGaAs能動層のNscは1.1×
1012cm-2となりソース抵抗を従来の数分の1に減
少できるとともに、ゲート金属の厚さを0.5μmに
すると、第6図のごとく、完全平坦型の素子が実
現できる。
次に本発明をMISFETに適用した具体的例を
述べる。基板に半絶縁性GaAs、p-の第1の半導
体層として有効アクセプタ密度1×1015cm-3の
GaAsを用い、第2の半導体として有効なドナー
密度4×1016cm-3、厚さ0.12μmのn型Ga0.7Al0.3
As層を用いる。この時GaAs/GaAlAs界面では
p-−GaAs層は反転し、電子の層密度が約5×
1011cm-2のnチヤンネルが形成され、かつ
GaAlAs層は完全に空乏化し、第7図のごとき
FETが実現できる。
以上具体的実施例では、GaAsおよびGaAlAs
の例について述べたが、本発明は、他の−化
合物半導体、およびその三元ならびに4元混晶に
ついても適用できることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
第1図、第2図は従来のGaAsFETにおいて、
ソース抵抗を減少する構造を示す断面図である。
11は高抵抗基板、12はチヤンネル層、13は
ゲート電極、14,15はそれぞれソース・ドレ
インオーム性電極である。第3図は本発明の
FETの基本構造を示す断面図である。21は高
抵抗基板、22はチヤンネルが形成される第1の
半導体層、23は第2の半導体層、24はゲート
電極、25,26はソース・ドレインオーム性電
極である。第4図a,bはそれぞれ、第3図中の
A−A′線およびB−B′線に沿つたエネルギー帯
図である。第5図、第6図は本発明によつて平坦
化されたFETの構造を示す断面図である。第7
図は本発明をMISFETに適用した構造を示す断
面図である。31は高抵抗基板、32はp-の第
1の半導体層、33はn型の第2の半導体層、3
4はゲート金属電極、35,36はソース・ドレ
イン電極、37はゲート絶縁膜、38は反転形成
されたnチヤンネル層を示す。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 高抵抗基板上の第1の半導体層上にゲートお
    よびソース・ドレイン電極が形成され、該ゲー
    ト、ソース・ドレイン電極が形成された領域を除
    く前記第1の半導体層上に、該第1の半導体より
    電子親和力が小さく、かつ空乏化したn型の第2
    の半導体層が形成されていることを特徴とする電
    界効果トランジスタ。 2 高抵抗基板上の第1の半導体がn型のとき第
    1の半導体と第2の半導体の電子親和力の差を△
    Ec、第1の半導体層と第2の半導体層の有効ド
    ナー密度をそれぞれND1およびND2、kをボルツ
    マン定数、Tを絶対温度として、 ND2>ND1 exp〔−△Ec/kT〕 の関係がある特許請求の範囲第1項記載の電界効
    果トランジスタ。 3 高抵抗基板上の第1の半導体としてp-型半
    導体層が用いられ、かつゲートが絶縁ゲート構造
    である特許請求の範囲第1項記載の電界効果トラ
    ンジスタ。
JP55143357A 1980-10-14 1980-10-14 Field effect transistor Granted JPS5768073A (en)

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JPS5768073A JPS5768073A (en) 1982-04-26
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